konduktiv. termal

7/27/2019 konduktiv. termal

1/35


2/35

44

Gambar 24 Gambar Teknik Mesin Pembeku Suhu Bertahap Hasil

Rancangan.

Uji Kinerja Pembeku Eksergetik

Unjuk Kerja. Model prototipe mesin pembeku eksergetik diuji tanpa

menggunakan beban (bahan yang dibekukan) untuk melihat unjuk kerja dari

model sistem yang dirancang tersebut. Perhitungan unjuk kerja pada sistem

refrigerasi ditunjukkan dengan nilai COP (Coefficient of Performance) atau

koefisien performansi, yang diturunkan dari efisiensi siklus Carnot

(Persamaan 67 69).


3/35

45

Perhitungan COP menggunakan persamaan 67 sampai dengan

persamaan 69 dengan entalpi diperoleh dari diagram Tekanan Entalpi (P-h

diagram) untuk R-12 (Lampiran 8).

Suhu Evaporator I, II, dan III = -15.6 C, -21.3 C, dan -28.9 C.

Suhu Kondensor = 35.2 C.

Dari suhu evaporator dan kondensor tersebut digunakan untuk

menentukan entalpi refrigeran:

Efek Refrigerasi tahap I = h4c - h1c = 111.1 kJ/kg

Efek Refrigerasi tahap II = h4b - h1b = 108.5 kJ/kg

Efek Refrigerasi tahap III = h4a - h1a = 105.1 kJ/kg

Kerja Kompresor = h2

- h1

= 37.4 kJ/kg

COP = (111.1 + 108.5 + 105.1)/((3)(37.4))

= 2.89

Tabel 3 Perbandingan Kinerja Mesin Pembeku Suhu Tetap1]

dan Suhu

Bertahap

ParameterSuhu tetap

1]

(C)Dengan pentahapan suhu (C)

tahap I tahap II tahap III

Suhu evaporator -33.3 -15.6 -21.3 -28.9

Suhu kondensor 54.9 35.2 35.2 35.2

Suhu lempeng pembeku -17.7 -13.9 -20.4 -28.3

Bahan lempeng pembeku Alumunium Stainless steel

Efek refrigerasi (kJ/kg) 82.79 111.1 108.5 105.1

COP 1.20 2.89

1]Ruliyana, 2004

Unjuk kerja dari model sistem yang dikembangkan tersebut lebih

tinggi daripada sistem suhu tetap rancangan Ruliyana (2004), hal ini terlihat

dari COP yang sebelumnya 1.20 naik menjadi 2.89 (Tabel 3), atau

mengalami kenaikan sebesar 141 %..

Dengan demikian, model sistem pembekuan suhu bertahap dapat

meningkatkan unjuk kerja sistem refrigerasi. Perbedaan suhu antara

lempeng dengan evaporator masing-masing tahap menjadi konstan setelah

beberapa saat dimana aliran refrigeran menjadi tunak (steady) dan


4/35

46

ditunjukkan dengan tidak terjadinya penurunan suhu yang signifikan, baik

pada lempeng maupun evaporator.

Profil penurunan suhu evaporator dan lempeng pembeku tiap tahap

pembekuan ditunjukkan pada Gambar 25, 26 dan 27. Perbedaan suhu antara

evaporator dan lempeng berkisar antara 3 sampai 5 C. Perbedaan suhu

tersebut terjadi karena wadah mempunyai ketebalan (1.2 mm) dan lempeng

memiliki konduktivitas termal sebesar 15 W/mK.

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

0 15 30 45 60 75

Waktu (menit)

Suhu(oC)

Gambar 25 Profil Suhu Evaporator dan Suhu Lempeng Tahap I.

Pengujian tanpa bahan dilakukan untuk melihat profil penurunan suhu

wadah produk. Profil penurunan suhunya terlihat seperti Gambar 28 dan 29

Pada saat wadah produk diletakkan bersamaan dengan bekerjanya mesin

terlihat bahwa dalam waktu 30 menit, perbedaan suhu wadah dengan

lempeng pembeku pada tahap I, II, III adalah 4.3 C, 4.8 C, dan 10.3 C.

Kemudian, setelah mesin berkerja konstan, wadah diletakkan pada lempeng

pembeku tersebut selama 32 menit, dan perbedaan suhu wadah dengan

lempeng pembeku tahap I, II, III adalah 5 C, 3.7 C, dan 9.5 C (Tabel 4).

Suhu

Lempeng

tahap ISuhu evaporator

tahap I

Suhu

Kondensor

Rata-rata beda

suhu 3 C


5/35

47

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

0 15 30 45 60 75

Waktu (menit)

Suhu(

oC

)

Gambar 26 Profil Suhu Evaporator dan Suhu Lempeng Tahap II.

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

0 15 30 45 60 75

Waktu (menit)

Suhu

(oC)

Gambar 27 Profil Suhu Evaporator dan Suhu Lempeng Tahap III.

Suhu

Lempeng

tahap II

Suhu evaporator

tahap II

Suhu

Kondensor

Suhu

Lempeng

tahap III

Suhu evaporator

tahap III

Suhu

Kondensor

Rata-rata beda

suhu 3 C

Rata-rata beda

suhu 5 C


6/35


7/35

49

Tabel 4 Beda suhu antara wadah produk dengan lempeng sentuh

Kondisi

Suhu konstan Perbedaan

suhu wadah

denganlempeng

(oC)

Tlempeng

Suhu LempengPembeku (

oC)

Twadah

Suhu Wadahproduk (

oC)

I II III I II III I II III

Sejak awal

pengoperasian

mesin pembeku

-13.9 -20.4 -28.3 -9.6 -15.6 -17.8 4.3 4.8 10.3

Setelah lempeng

pembeku konstan-16.1 -22 -28.9 -11.1 -18.3 -19.4 5 3.7 9.5

Gambar 30 Pembentukan kristal es pada lempeng pembeku.

Dari hasil pengamatan visual pada menit ke-50 pengoperasian mesin

pembeku terjadi pembentukan kristal es (salju) pada permukaan lempeng

pembeku seperti tampak pada Gambar 30. Hal tersebut menimbulkan

dampak terhadap proses pembekuan pada tahap I, II dan III, yaitu

terhambatnya proses penyerapan panas bahan di evaporator I, II dan III,

karena adanya pembentukan salju dapat menimbulkan perbedaan suhu

antara lempeng pembeku dan wadah produk.

Pembentukan

kristal es

(salju)

Lempeng Pembeku


8/35


9/35

51

wadah meningkat sepanjang pergerakan pada tahap I dan tahap II, lalu

menurun kembali pada tahap III.

Kecepatan wadah berpengaruh terhadap gesekan dan peningkatan

suhu. Semakin cepat gerakan wadah, makin tinggi pula peningkatan

suhunya, dan sebaliknya, semakin rendah kecepatan wadah, laju

peningkatan suhu semakin kecil, seperti ditunjukkan pada Gambar 32, 33

dan 34. Beda suhu minimum dan maksimum antara wadah dengan lempeng

pembeku ditunjukkan pada Tabel 5.

Tabel 5 Beda Suhu minimum dan maksimum antara wadah

dengan lempeng pembeku

Kecepatan

Wadah (cm/min)

Beda Suhu (oC)

Minimum Maksimum

30.0 7 9

48.0 8 9.5

70.6 7.5 8

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 100 200 300 400

waktu (detik)

suhu(oC)

Gambar 32 Profil suhu lempeng sentuh dan wadah produk pada

kecepatan wadah 30.0 cm/min.

T wadahTlempeng


10/35

52



-25

-20

-15

-10

-5

0

0 30 60 90 120 150 180

waktu (detik)

suhu(oC)



Pengujian pergerakan wadah pada sistem suhu bertahap dengan

kecepatan wadah 0.95 cm/min, menunjukkan bahwa penurunan suhu wadah

cukup baik dengan perbadaan suhu terhadap lempeng sekitar 5 10 C,

seperti ditunjukkan pada Gambar 35.

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200 250

waktu (detik)

suhu(oC)

Tlempeng Twadah

TlempengTwadah


11/35

53

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

0 20 40 60 80 100 120

waktu (menit)

Suhu

(celcius)

Twadah

Medium pembeku

Gambar 35 Profil penurunan suhu wadah pada pembekuan suhu bertahapkontinyu dengan kecepatan konstan 1.8 cm/menit.

Untuk mendapatkan hasil yang optimal, kecepatan gerakan wadah

pada tahap I dapat dipercepat atau waktunya diperpendek. Selanjutnya, suhu

media tahap II bisa ditingkatkan, sedangkan pada tahap III, waktunya bisa

dipersingkat dan suhu media pembeku dapat ditingkatkan.

Analisis Energi dan Eksergi

Pada kajian ini akan dibahas tentang: (1) Karakteristik pembekuan

konvensional daging sapi segar, (2)Karakteristik Pembekuan Suhu Bertahap

sistem Batch dan Kontinyu, (3) Analisis Energi dan Eksergi Sistem

Pembekuan, (4) Simulasi proses pembekuan eksergetik

Karakteristik Pembekuan Konvensional Daging Sapi Segar

Pembekuan konvensional adalah sistem pembekuan yang

menggunakan suhu media pembeku tetap selama proses pembekuan. Pada

I II

III

Waktu bisa

diperpendek

Waktu bisa

diperpendek dan Suhu

bisa ditingkatkan

Suhu bisa

ditingkatkan


12/35


13/35


14/35

56

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

waktu (menit)

suhu(C)

Suhu Media Pembeku

Tb3

Tb2

Tb1

(a)

-40

-30

-20

-10

010

20

30

40

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

waktu (menit)

Suhu(Celc

ius)

Suhu media pembeku

Tb1

Tb2

Tb3

(b)

Gambar 37 Profil penurunan suhu pembekuan suhu tetap daging sapi segar,

(a) pada suhu media pembeku -20 C; (b) pada suhu media

pembeku -25 C


15/35

57

Data pengujian sampel berikutnya (ketiga) ditunjukkan pada Gambar

37b. Proses pembekuan dilakukan dengan suhu media tetap, yaitu -25 C

(berfluktuasi pada kisaran -23 C hingga -25.9 C).

Berat sampel daging yang dibekukan adalah 280.0 gram dan tebal 2.8

cm. Total waktu pembekuan (waktu yang dibutuhkan dari Tb1 = 0 C hingga

Tb3 = -5 C) adalah 130.0 menit, sehingga laju pembekuan pada percobaan

ini adalah 1.29 cm/jam.

Data hasil pengujian ketiga percobaan tersebut ditabulasikan dalam

Tabel 6, dan sebagai perbandingan pada Tabel 7 ditunjukkan hasil pengujian

pembekuan dari beberapa bahan pangan lain beserta laju pembekuannya.

Laju pembekuan sangat dipengaruhi oleh suhu media pembeku.

Semakin rendah suhu media pembeku maka semakin cepat laju

pembekuannya, dan sebaliknya, semakin tinggi suhu media pembeku maka

semakin lambat laju pembekuannya.

Tabel 6 Perbandingan Karakteristik Pengujian Daging

Sapi Pada Pembekuan Konvensional Suhu

Tetap -10 C, -20C dan -25 C

Keterangan Suhu Media Pembeku (C)-10 -20 -25

Massa daging (g) 184.4 50.0 280.0

Tebal daging (cm) 2.0 1.6 2.8

Suhu Awal Daging (C) 28 30 26

Suhu Akhir Pembekuan (C) -3 -11 -10

Lama pembekuan (menit) 166.0 73.8 130.0

Laju Pembekuan (cm/jam) 0.72 1.30 1.29

Titik beku bahan dipengaruhi oleh konsentrasi zat terlarut pada air

yang terkandung pada bahan yang disebut kadar air (Desrosier, 1998).

Kadar air daging sapi yang tinggi menunjukkan konsentrasi zat terlarut yang

tinggi pula (62 77 %, dari Heldmand dan Lund, 1992). Tingginya


16/35


17/35

59

masing-masing tahap disesuaikan dengan kebutuhan untuk menyelesaikan

masing-masing tahap tersebut. Oleh sebab itu pengendalian otomatis perlu

ditambahkan dalam sistem ini karena selain untuk membuat suhu yang

terkontrol pada masing-masing tahap pembekuan juga untuk mengendalikan

sistem proses pada masing-masing tahap. Suhu bertahap sistem batch

ditunjukkan pada Gambar 38.

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

waktu (menit)

Suhu

(Celcius)

Suhu Media Pembeku

Tb1

Tb2

Tb3

I

II III

Gambar 38 Profil sebaran suhu produk daging sapi suhu media pembeku

tahap I, -10oC, dan tahap II dan III masing-masing -25

oC.

Gambar 38 memperlihatkan grafik sebaran suhu bahan dengan suhu

media pembeku tahap I sebesar -10oC, sedangkan tahap II dan III masing-

masing -25oC. Proses pembekuan pada percobaan ini menggunakan sistem

batch, dimana bahan diletakkan pada tahap I hingga suhu bagian bawah

bahan mencapai 0 C, setelah itu wadah digeser ke tahap II hinggaperubahan fase selesai, lalu wadah digeser ke tahap III untuk hingga suhu

bagian atas bahan (pusat termal) mencapai suhu -5 C. Waktu keseluruhan

yang dibutuhkan dari awal proses, dimana suhu bahan 30 C mencapai suhu

akhir pusat termal bahan -5 C adalah 210 menit, sedangkan waktu


18/35

60

pembekuannya (dari Tb1 = 0 C hingga Tb3 = -5 C) adalah 135.0 menit,

dengan tebal bahan 3.0 cm, sehingga laju pembekuannya adalah 1.26

cm/jam.

Selanjutnya, sampel daging sapi dengan berat 45.0 gram dan tebal 2.2

cm dibekukan dengan pembeku eksergetik sistem batch dengan suhu pada

masing-masing tahap -3oC, -15

oC, dan -21

oC. Profil penurunan suhu

bahan pada bagian bawah (Tb1), tengah (Tb2), atas bahan (Tb3) dan suhu

media pembeku ditunjukkan pada Gambar 39. Waktu pembekuannya (dari

Tb1 = 0 C hingga Tb3 = -5 C) adalah 110.0 menit, dengan tebal bahan 2.2

cm, sehingga laju pembekuannya adalah 1.20 cm/jam.

-40

-30-20

-10

0

10

20

30

40

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

waktu (menit)

suhu(C)

Suhu media pembeku

Tb3

Tb2

Tb1

Gambar 39 Profil sebaran suhu produk daging sapi dengan suhu media

pembeku tahap I, II, dan III adalah -3oC, -15

oC, dan -21

oC.

Pada Gambar 39 terlihat bahwa lamanya produk berada pada tahap I

tidak sama dengan lamanya produk berada pada tahap lainnya (tahap II

maupun tahap III), hal ini disebabkan oleh waktu yang dibutuhkan suhu

daging untuk mencapai 0 C pada tahap I lebih cepat daripada daging

tersebut berubah fase pada tahap II dan lebih cepat daripada lamanya


19/35


20/35

62

Pengujian pembekuan daging sapi menggunakan sistem pembeku

eksergetik kontinyu menghasilkan profil pembekuan daging sapi seperti

ditunjukkan pada Gambar 40, 41, dan 42.

Perbedaan profil pembekuan daging sapi sistem kontinyu dengan

sistem batch adalah pada sistem kontinyu, suhu wadah produk cenderung

berfluktuasi sekitar 2 derajat, hal ini disebabkan oleh tiga hal, yakni: (1)

lendutan pada poros pembawa wadah produk yang mengakibatkan wadah

bergerak zig-zag, (2), adanya gesekan antara wadah produk dengan lempeng

pembeku yang mengakibatkan kerugian perpindahan panas produk dalam

wadah yang bergeser, dan (3) lempeng pembeku yang tidak rata

mengakibatkan perpindahan panas pada wadah bergerak menjadi sangat

berfluktuasi.

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

0 20 40 60 80 100 120 140

Waktu (menit)

Suhu(Celcius)

Twadah

Tb1

Tb3

Medium pembeku

Gambar 40 Profil pembekuan daging tanpa kemasan dalam wadah produk

yang dibekukan dengan sistem pembekuan eksergetik secara

kontinyu (suhu media: -8, -18, -26 C) pada kecepatan wadah2.0 cm/min.

-5 C

97.6


21/35

63

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

0 20 40 60 80 100 120 140

Waktu (menit)

Suhu(Celcius)

Twadah

Tb1

Tb3

Medium Pembeku

Gambar 41 Profil pembekuan daging sapi dengan kemasan plastik dalam

wadah produk dan dibekukan dengan sistem pembekuan

eksergetik secara kontinyu (suhu media: -8, -20, -28 C) padakecepatan wadah 1.5 cm/min.

-40

-30

-20

-10

0

10

2030

40

0 20 40 60 80 100 120 140

waktu (menit)

Suhu(celcius)

Twadah

Tb1

Tb3

Medium pembeku

Gambar 42 Profil Sampel daging dengan kemasan plastik dan styrofoam

yang diletakkan terbalik dalam wadah produk, dan dibekukan

dengan sistem pembekuan eksergetik secara kontinyu (suhu

media: -5, -18, -30 C) pada kecepatan wadah 1.8 cm/min.

133.1

-5 C

107.5

-5 C


22/35


23/35


24/35

66

Kebutuhan minimal energi untuk pembekuan yang dihitung

berdasarkan data tersebut ditunjukkan pada Tabel 11. Energi yang

dilepaskan oleh bahan dan diserap oleh lempeng pembeku pada proses

pembekuan adalah energi dalam bentuk panas sensibel dan panas laten.

Panas sensibel adalah panas yang menyebabkan terjadinya penurunan suhu,

sedangkan panas laten menyebabkan perubahan fase bahan dari cair ke

padat (kristal-kristal es).

Tabel 11 Hasil perhitungan kebutuhan minimal energi pembekuan

Pengujian Pers Suhu tetapSuhu bertahap

Batch Kontinyu

Massa produk (kg) - 0.05 0.28 0.283 0.045 0.09 0.1 0.09 0.08

Suhu awal (C) - 30 23.7 25 30 25 28 28 20

Suhu akhir pembekuan (C) - -9 -5 -5 -9 -7 -18 -8 -6

Suhu media pembeku Tma (C) - -21 -25 -10 -3 -8 -5 -8 -5

Suhu media pembeku Tmf(C) - -21 -25 -25 -15 -18 -18 -21 -18

Suhu media pembeku Tmb (C) - -21 -25 -25 -21 -26 -30 -28 -30

Suhu lingkungan (T0) - 30 30 30 30 30 30 30 30

Entalpi tahap I (kJ) 24 -4.69 -21.13 -22.43 -4.22 -7.13 -8.8 -7.92 -5.18

Entalpi tahap II (kJ) 25 -11.31 -46.93 -47.43 -10.18 -15.32 -21.79 -16.2 -12.58

Entalpi tahap III (kJ) 26 -0.55 -1.27 -1.28 -0.49 -0.7 -2.55 -0.84 -0.49

Total Entalpi (kJ/kg) 30 -330.9 -247.6 -251.4 -330.9 -257.3 -331.4 -277.4 -228.1

Lama pembekuan (menit) 120 150 170 120 100 116 137 110

Energi terpakai (kWh) ukur 2 2.47 2.87 2.01 1.6 1.9 2.2 1.6

Energi terpakai (dalam kJ) 7200 8892 10332 7236 5760 6840 7920 5760

Keb. Energi pembekuan (kJ) 16.55 69.33 71.15 14.89 23.16 33.14 24.96 18.25

Kebutuhan minimum energi pembekuan dinyatakan dengan perubahan

entalpi pembekuan dimana harganya hanya tergantung pada suhu awal dan

suhu akhirnya untuk bahan tertentu. Tanda negatif pada nilai perubahan

entalpi menunjukkan bahwa energi (panas) dilepas dari sistem (bahan yang

dibekukan) dalam hal ini dari model daging sapi ke media pembekunya.

Energi terpakai adalah energi yang secara nyata digunakan untuk

proses pembekuan tersebut, dan diukur dengan menggunakan kWh-meter.

Energi tersebut dipakai untuk menggerakkan kompresor sehingga terjadi


25/35

67

penurunan suhu media pembeku. Dengan demikian, energi terpakai

dipengaruhi oleh suhu media pembeku yang diterapkan dan lamanya proses

pembekuan berlangsung (laju pembekuan).

Kajian eksergi dilakukan untuk melihat efektivitas penggunaan energi

pada setiap tahap dalam proses pembekuan tersebut. Tabel 12 menunjukkan

hasil perhitungan asupan, kehilangan, dan efisiensi eksergi pada berbagai

skenario proses pembekuan daging sapi segar. Asupan eksergi pada tabel

tersebut.

Tabel 12 Hasil Perhitungan Asupan dan Efisiensi Eksergi Pembekuan

Daging Sapi

Pengujian Pers. Suhu tetapSuhu bertahap

Batch KontinyuPerubahan entropi

(kJ/K)

34

suku-1-0.02 -0.07 -0.08 -0.01 -0.03 -0.03 -0.03 -0.02

34

suku-2-0.04 -0.17 -0.18 -0.04 -0.06 -0.08 -0.06 -0.05

34

suku-3-0.002 -0.005 -0.005 -0.002 -0.003 -0.010 -0.003 -0.002

Tahapan Suhu (C) -21 -25 -10,-25,-25 -3,-15,-21 -8,-18,-26 -5,-18,-30 -8,-21,-28 -5,-18,-30

Total entropi

(kJ/kgK)34 -1.20 -0.90 -0.91 -1.20 -0.94 -1.21 -1.01 -0.83

Eksergi input (kJ) 42 0.95 4.68 3.41 0.52 1.02 1.15 1.14 0.68

43 2.29 10.41 10.51 1.77 2.88 4.10 3.28 2.37

44 0.11 0.28 0.28 0.10 0.16 0.63 0.20 0.12

Total eksergi input(kJ/kg)

42+43+44 66.95 54.90 50.21 53.13 45.16 58.80 51.26 39.56

Kehilangan eksergi(Tahap I) (kJ)

53 0.68 3.24 1.93 0.27 0.55 0.61 0.65 0.29

Kehilangan eksergi

(Tahap II) (kJ)57 0.94 4.83 4.88 0.57 1.06 1.51 1.35 0.87

Kehilangan eksergi

(Tahap III) (kJ)63 0.04 0.12 0.12 0.03 0.07 0.24 0.09 0.06

Kehilangan eksergi

(total) (kJ/kg)53+57+63 33.25 29.25 24.48 19.42 18.69 23.66 23.29 15.22

Efisiensi eksergi total

(%)63 50.34 46.73 51.24 63.44 58.62 59.76 54.56 61.53

Rata-rata kehilangan eksergi selama proses pembekuan dengan suhu

media pembeku tetap berkisar antara 29 hingga 33 kJ/kg. Nilai ini jauh lebih

besar jika dibandingkan rata-rata kehilangan eksergi selama proses

pembekuan suhu bertahap yang hanya sebesar 15 kJ/kg hingga 23 kJ/kg.


26/35

68

Eksergi input suhu tetap berkisar antara 54 66 kJ/kg, dengan model

sistem pembekuan suhu bertahap dapat menurunkan eksergi input menjadi

39 58 kJ/kg atau turun sekitar 8 15 kJ/kg. Rata-rata efisensi eksergi

pada sistem pembekuan suhu tetap berkisar antara 46 % hingga 50 %,

sedangkan dengan sistem pembekuan suhu bertahap dapat meningkatkan

efisiensi eksergi sekitar 1 13 % menjadi sekitar 51 63 %, dimana efisensi

eksergi pembekuan suhu bertahap sistem batch berkisar antara 51 % hingga

63 % dan efisiensi eksergi pembekuan suhu bertahap sistem kontinyu

berkisar antara 54 61 %.

Besarnya total enthalpi atau panas total yang dipindahkan (Qfs atau

Hfs) adalah kebutuhan minimum energi yang dibutuhkan untuk pembekuan

daging sapi. Target dari analisis eksergi adalah menentukan besarnya

kehilangan eksergi proses pembekuan untuk tahap I, II, dan III,

sebagaimana dinyatakan oleh Bruttini et al (2001) bahwa kehilangan eksergi

terjadi pada tiap tahap proses pembekuan. Dalam pengujian pembekuan

daging sapi ini, kehilangan eksergi yang terjadi disajikan pada Tabel 12.

Dari tabel tersebut menunjukkan bahwa kehilangan eksergi terbesar

terjadi pada tahap I sampai tahap II, yaitu saat penurunan suhu bahan dari

suhu awal ke titik beku dan saat pembekuan air bebas dalam bahan. Dengan

demikian, cara penghematan energi dapat dilakukan dengan pengendalian

suhu media pembeku pada tahap I dan tahap II.

Pengendalian suhu media pembeku dapat mengakibatkan perubahan

asupan eksergi pada sistem pembeku eksergetik. Semakin tinggi suhu media

pembeku, semakin kecil asupan ekserginya sehingga efisiensi ekserginya

meningkat. Dengan demikian, sistem pembeku eksergetik mampu

meningkatkan efisiensi eksergi pembekuan.Sebagai contoh, jika suhu media pembeku tahap I dinaikan, maka

asupan energinya menjadi lebih rendah, sehingga efisiensi eksergi sistem

meningkat. Hal ini disebabkan oleh perbedaan antara suhu media pembeku

dan suhu awal bahan yang kecil.


27/35

69

Sementara itu, jika suhu media pembeku sistem pembeku eksergetik

pada tahap II dan III sama dengan sistem suhu tetap, maka asupan

ekserginya tidak berubah, sehingga efisiensi ekserginya cenderung sama.

Berkaitan dengan faktor mutu produk yang dibekukan, dimana pada tahap II

merupakan tahap kritis dalam pembekuan, maka dengan suhu media

pembeku yang rendah pada tahap ini akan dapat meningkatkan laju

pembekuan, sehingga mutu produk dapat dipertahankan.

Efisiensi eksergi merupakan perbandingan eksergi output dengan

eksergi input. Sedangkan eksergi input dipengaruhi oleh perbedaan antara

suhu media pembeku dan suhu bahan yang dibekukan. Jadi, jika input

ekserginya tetap, tetapi output ekserginya ditingkatkan, maka efisiensieksergi akan meningkat. Atau, jika proses pembekuan diperbaiki sehingga

input energinya menjadi lebih kecil dan menghasilkan output yang sama,

maka efisiensi ekserginya pun meningkat.

Energi pada proses pembekuan ini terdiri dari energi listrik, energi

mekanis, dan energi panas. Energi yang digunakan untuk menggerakkan

kompresor diperoleh dari energi listrik yang diubah menjadi energi mekanis

(kerja). Kerja tersebut digunakan untuk mengambil panas bahan di ruang

pembeku dan melepaskannya ke lingkungan di kondensor.

Proses pembekuan merupakan proses pengambilan panas bahan oleh

suhu media pembeku. Pengambilan panas oleh suhu media pembeku

mempengaruhi kerja kompresor. Semakin cepat pengambilan panas, maka

semakin rendah suhu media pembeku sehingga kerja kompresor pun

semakin besar. Dan sebaliknya, jika suhu media pembeku semakin tinggi,

maka kerja kompresor semakin kecil.

Setiap proses termal selalu memproduksi entropi yang sebanding

dengan kehilangan eksergi. Tabel 13 menunjukkan bahwa hubungan suhu

media pembeku tahap I, II, dan III dari hasil pengujian pembekuan daging

sapi terhadap kehilangan eksergi proses pembekuan.


28/35


29/35

71

y = 12.556e0.7295x

R2 = 0.5205

0

5

10

15

20

25

30

35

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

(Tma-Tmf)/(Tma-Tmb)

Kehilanganeksergi(kJ/k

g)

Gambar 43 Grafik hubungan kehilangan eksergi (kJ/kg) terhadap nilai

suhu tak-berdimensi T= (Tma-Tmf)/(Tma-Tmb).

y = -19.08x + 70.461

y = 7.1648x + 15.277

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

T' = (Tma-Tmf)/(Tma-Tmb)

Kehilanganeksergi(kJ/kg

)

Efisiensieksergi(%)

Efis iensi eksergi (%) Kehilangan eksergi (kJ/kg) Gambar 44 Grafik hubungan efisiensi eksergi (%) dan kehilangan

eksergi (kJ/kg) terhadap T = (Tma-Tmf)/(Tma-Tmb).


30/35


31/35

73

Jika model sistem pembekuan eksergetik baik sistem batch maupun

kontinyu diterapkan pada pembekuan daging sapi maka kehilangan eksergi

berkurang dan efisiensi eksergi meningkat. Dari hasil pengujian pembekuan

daging sapi dengan pembeku eksergetik diperoleh bahwa semakin besar

efisiensi ekserginya makin kecil energi terpakainya. Dan sebaliknya,

semakin kecil efisiensi ekserginya semakin besar energi terpakainya

(Gambar 45).

Pengaruh Efisiensi Eksergi terhadap Laju Pembekuan

Gambar 46 menunjukkan grafik hubungan antara efisiensi eksergi

dengan laju pembekuan pada pengujian sistem pembekuan suhu bertahap

untuk daging sapi. Efisiensi eksergi ditentukan dari analisis eksergi dan laju

pembekuan ditentukan dari data pengujian pembekuan daging sapi.

y = -0.0104x + 1.7835

R2 = 0.7412

0.8

1

1.2

1.4

45 50 55 60 65

Efisiensi eksergi (%)

Lajupembekuan(cm/jam)

Gambar 46 Hubungan efisiensi eksergi dengan laju pembekuan pada

pembekuan eksergetik untuk daging sapi.


32/35


33/35

75

y = -1.0945x + 6.0967

R2

= 0.9986

0

10

20

30

40

50

60

-40 -30 -20 -10 0

Suhu media pembeku tahap II (Tmf ,oC)

pada Tma = -5 dan Tmb = -40

Kehilanganeksergi(kJ/kg)

Gambar 47 Grafik hubungan suhu media pembeku Tmf (Tma = -5 C dan

Tmb = -40 C) terhadap kehilangan eksergi.

y = -0.0667x + 2.0014

R2

= 1

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

5.00

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

Suhu Media Pembeku Thp II (Tmf) dalam Celcius

LajuPembekuan(cm/jam)

Gambar 48 Hubungan suhu media pembeku (Tmf) dengan laju pembekuan

pada Tma = -5 C; Tmb =-40C.


34/35

76

Hubungan laju pembekuan dengan efisiensi eksergi disajikan pada

Gambar 49. Dapat disimpulkan bahwa semakin tinggi Tmf maka makin

tinggi pula efisiensi ekserginya, tetapi laju pembekuannya menurun.

Sebaliknya, jika Tmf semakin rendah, maka laju pembekuan semakin cepat,

namun efisiensi ekserginya semakin kecil.

y = -49.311Ln(x) + 115.03

R2 = 0.9987

0

10

20

30

40

50

60

70

80

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

Laju Pembekuan (cm/jam)

Efisiensieksergi(%

)

Gambar 49 Grafik hubungan laju pembekuan dengan efisiensi eksergi pada

Tma = -5 C; Tmb =-40C.

Jika suhu media pembeku tahap I (Tma) diturunkan secara perlahan

maka efisiensi ekserginya akan menurun sebagaimana disajikan pada

Gambar 50. Pada kurva dEx/dt dengan Tma -5 C (Tmb = -40C) berada di

sebelah paling kiri atas, dan kurva dengan Tma sebesar -15 C (Tmb = -40C)

berada di sebelah paling kanan bawah, sedangkan kurva dengan Tma sebesar

-10 C (Tmb = -40C), berada diantara kurva Tma -5 dan Tma -15 C. Agar

kualitas produk pangan yang dibekukan tetap terjaga maka Tma harus lebih

tinggi atau sama dengan Tmf untuk mencegah rekristalisasi bahan yang


35/35

77

dibekukan (Golden, et al. 1997). Sebaliknya pula Tmf harus lebih rendah

atau sama dengan Tma dan harus lebih tinggi atau sama dengan Tmb.

y = 1.8366e0.0269x

R2 = 0.9966

y = 1.5918e0.0257x

R2 = 0.9961

y = 1.4099e0.0237x

R2 = 0.9963

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

Suhu Media Pembeku (Tmf) dalam derajat Celcius

dEx/dT

Tma=-5 Tma=-10 Tma=-15

Gambar 50 Grafik hubungan suhu media pembeku terhadap perubahan

eksergi dEx/dT (Tma = -5 C;Tmb = -40 C dan Tma = -10

C; Tmb

= -40 C, serta Tma

= -15 C; Tmb

= -40 C).

konduktiv. termal

Documents

Transcript of konduktiv. termal