Download - konduktiv. termal
-
7/27/2019 konduktiv. termal
1/35
-
7/27/2019 konduktiv. termal
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).
-
7/27/2019 konduktiv. termal
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
-
7/27/2019 konduktiv. termal
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
-
7/27/2019 konduktiv. termal
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
-
7/27/2019 konduktiv. termal
6/35
-
7/27/2019 konduktiv. termal
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
-
7/27/2019 konduktiv. termal
8/35
-
7/27/2019 konduktiv. termal
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
-
7/27/2019 konduktiv. termal
10/35
52
Gambar 33 Profil suhu lempeng sentuh dan wadah produk pada
kecepatan wadah 48.0 cm/min.
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 30 60 90 120 150 180
waktu (detik)
suhu(oC)
Gambar 34 Profil suhu lempeng sentuh dan wadah produk pada
kecepatan wadah 70.6 cm/min.
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
-
7/27/2019 konduktiv. termal
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
-
7/27/2019 konduktiv. termal
12/35
-
7/27/2019 konduktiv. termal
13/35
-
7/27/2019 konduktiv. termal
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
-
7/27/2019 konduktiv. termal
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
-
7/27/2019 konduktiv. termal
16/35
-
7/27/2019 konduktiv. termal
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
-
7/27/2019 konduktiv. termal
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
-
7/27/2019 konduktiv. termal
19/35
-
7/27/2019 konduktiv. termal
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
-
7/27/2019 konduktiv. termal
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
-
7/27/2019 konduktiv. termal
22/35
-
7/27/2019 konduktiv. termal
23/35
-
7/27/2019 konduktiv. termal
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
-
7/27/2019 konduktiv. termal
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.
-
7/27/2019 konduktiv. termal
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.
-
7/27/2019 konduktiv. termal
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.
-
7/27/2019 konduktiv. termal
28/35
-
7/27/2019 konduktiv. termal
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).
-
7/27/2019 konduktiv. termal
30/35
-
7/27/2019 konduktiv. termal
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.
-
7/27/2019 konduktiv. termal
32/35
-
7/27/2019 konduktiv. termal
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.
-
7/27/2019 konduktiv. termal
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
-
7/27/2019 konduktiv. termal
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).