BAB 10-11. PENDINGINAN HASIL PERTANIAN

Tujuan Instruksional Khusus

Mahasiswa mampu menjelaskan prilaku bahan pertanian terhadap proses pendinginan dan merancang kebutuhan coldstorage untuk keperluan penyimpanan dingin bahan pertanian. Cakupan dari pokok bahasan ini meliputi analisa data pendinginan, pendugaan laju dan waktu pendinginan, konsep dasar penyimpanan dingin, perhitungan beban pendinginan, disain dasar coldstorage

A. Pendahuluan

Kegunaan umum pendinginan adalah untuk pengawetan, penyimpanan dan distribusi bahan pangan yang rentan rusak. Kelayakan bahan pangan untuk dikonsumsi dapat diperpanjang dengan penurunan suhu, karena dapat menurunkan reaksi dan penguraian kimiawi oleh bakteri. Pendinginan maupun pembekuan tidak dapat meningkatkan mutu bahan pangan, hasil terbaik yang dapat diharapkan hanyalah mempertahankan mutu tersebut pada kondisi terdekat dengan saat akan memulai proses pendinginan. Hal ini berarti mutu hasil pendinginan sangat dipengaruhi oleh mutu bahan pada saat awal proses pendinginan.

Untuk dapat mempertahankan mutu bahan pangan, sangat penting diperhatikan proses penanganan dari mulai bahan pangan tersebut di panen/diolah, disimpan atau pada saat transportasi sampai ke tangan konsumen. Analisis rantai dingin (cold chain) dapat digunakan sebagai cara untuk mengetahui apakah bahan pangan tersebut ditangani secara benar atau tidak.

Skema Cold chain

Penurunan mutu produk segar dapat dipengaruhi oleh :

• Perubahan metabolic seperti penguapan, ethylene, tekstur dan aroma
• Pertumbuhan dan pengembangan
• Transpiration
• Cacat
• Kerusakan Physiologis
• Busuk; pertumbuhan mikroba

Kondisi strowberi setalah 7 hari yang disimpan pada suhu 0, 5, 10 dan 15C

Yang harus diperhatikan dalam melakukan proses pendinginan yang baik adalah :

• Waktu antara panen dan “pre-cooling”
• Jenis karton, palet; ventilasi
• Cara pendinginan dan waktu yang dibolehkan
• Suhu produk sebelum didinginkan
• Suhu produk akhir
• Sanitasi dari sistem pendingin
• Pelihara suhu produk

Dewasa ini dikenal beberapa metode pendinginan untuk bahan pangan, yaitu:

1. Air cooling
Air cooling menggunakan suhu pendingin lebih dari 0°C dengan debit udara 150m3/jam. Metode pendinginan air cooling dapat digolongkan menjadi:

a. Room cooling
Room cooling biasanya menggunakan ruang dengan insulasi yang dilengkapi dengan alat pendingin. Umumnya digunakan untuk berbagai macam produk segar tapi kurang efektif untuk segera memindahkan field heat produk

Cara penyimpanan produk dalam ruangan berpendingin sangat dipengaruhi oleh:

• Debit aliran udara (diusahakan sekitar 100 cfm per ton produk)
• Tumpukan produk
• Ventilasi antar kotak
• Suhu udara terendah

Penerapan metode pendinginan room cooling adalah untuk proses pendinginan produk pada skala kecil maupun besar

Roo cooling

b. Air forced cooling
Pada pendinginan air forced cooling, udara pendingin didorong dengan kipas. Udara bersirkulasi dengan kecepatan tinggi 75-90% lebih cepat dibanding room cooling. Penggunaan air forced cooling harus dengan pengontrolan RH yang berkisar antara 90-98%. Metode pendinginan ini efektif untuk produk yang dikemas.

Air force cooling

2. Hydrocooling
Pada pendinginan hydrocooling, panas produk dipindahkan melalui media air. Metode ini banyak digunakan untuk sayuran untuk mempertahankan tekstur dan kesegaran daun dan dapat digunakan sekaligus untuk membersihkan produk dimana dapat dicampur dengan klorin sebagai disinfectant. Kelemahannya adalah sering terjadi mechanical injury dan hanya bisa digunakan untuk komoditi yang tidak sensitif terhadap air. Hydrocooling untuk sayur biasanya dilakukan setelah dikemas.

Hydrocooling

3. Vacuum Cooling

Pendinginan vakum adalah salah satu metoda yang umum digunakan untuk pra-pendinginan sayuran berdaun. Efek pendinginan terjadi akibat penguapan cepat sejumlah air dari bahan yang akan didinginkan pada ruang bertekanan rendah. Panas laten yang dibutuhkan untuk penguapan tersebut diambil dari produk itu sendiri sehingga terjadi penurunan panas sensibelnya dan sebagai akibatnya terjadi penurunan suhu. Pendinginan vakum sangat popular pada pra-pendinginan sayuran berdaun karena dua keunggulannya yang utama, yaitu laju pendinginan cepat dan sebaran suhu seragam pada seluruh bahan Efek pendinginan melalui panas laten penguapan. Metode pendinginan vakummerupakan metod ependinginan yang paling cepat. Tekanan udara di ruang pendinginnya berkisar 4.6 mm Hg. Metode pendinginan vakum banyak diterapkan untuk mendinginkan sayuran daun seperti lettuce, cabbage, wortel, pepper, jamur, cauliflower.

Vacuum cooling

B. Metode Analisis Data Pendinginan

Kebutuhan industri pendinginan terdiri atas tiga hal, yaitu prosedur analisa data pendinginan, prosedur penggunaan data pendinginan untuk merancang sistem refrigerasi, serta pengumpulan data dasar, sifat termofisik, dan sifat pindah panas antara bahan dengan mesin pendingin, sedemikian sehingga dapat menyediakan informasi yang dibutuhkan untuk merancang sistem pendingin yang diinginkan. Pada tulisan ini dijelaskan beberapa metoda analisa dan cara pemilihan metoda yang ada tersebut, sehingga dapat digunakan oleh para perekayasa bidang refrigerasi dan ahli ilmu pangan untuk keperluannya masing-masing. Fokus utama diberikan pada proses pendinginan konduktif.

Pemilihan metoda analisa perlu mempertimbangkan antara pemecahan yang diturunkan secara pasti atau penggunaan grafik suhu-waktu secara aritmetik. Untuk menuju pada metoda analisa yang seragam, beberapa hal yang harus dipenuhi oleh suatu metoda analisis adalah:

• Dapat diterapkan pada kisaran kondisi yang luas, dari pendinginan lambat dengan udara (air-cooling) hingga pendinginan cepat dengan pencelupan ke dalan cairan (hydro cooling).
• Mampu menduga waktu pendinginan, serta menganalisa dan mengkorelasikan data waktu pendinginan tersebut.
• Cukup mudah tetapi akurat untuk dipahami dan digunakan oleh perekayasa refrigerasi.
• Mengandung pengertian fisik.
• Mempunyai parameter yang minimum, dan variabel atau parameter yang tidak lebih banyak dari bilangan non-dimensional dalam sistem persamaannya.
• Dapat membantu para perekayasa refrigerasi dan ahli ilmu pangan dalam mengukur sifat termofisik bahan pangan tertentu.

1. Metode Pemecahan Pasti

Pendinginan dapat dianggap sebagai proses penurunan suhu bahan dari suhu awal ke suhu tertentu di atas titik beku, yang merupakan proses tak-mantap (unsteady-state). Salah satu faktor yang penting dalam analisa pindah panas tak-mantap adalah perbandingan antara tahanan di dalam dengan di luar bahan terhadap perpindahan panas tersebut, yang dalam bilangan tak-berdimensi dikenal dengan bilangan Biot (N_Bi = h_cl/k). Dalam hal ini, h_c adalah koefisien konveksi panas (W/m².K), k adalah konduktivitas panas bahan (W/m.K), dan l adalah dimensi karakteristik bahan (m). Berdasarkan faktor kunci tersebut, waktu pendinginan dapat diduga dengan tiga pendekatan, yaitu pendekatan yang mengabaikan tahanan dalam (internal), pendekatan yang mengabaikan tahanan permukaan, dan pendekatan dengan memperhitungkan keduanya.

• Pendekatan yang mengabaikan tahanan dalam (internal)

Pendekatan ini menganggap bahwa tahanan terhadap pindah panas pada permukaan jauh lebih besar daripada di dalam bahan, atau NBi <>

(10-1)

Dengan pemisahan parameter, persamaan (10-1) dapat diintegrasi untuk mendapatkan:

(10-2)

Dengan memasukkan bilangan Biot (N_Bi = h_cl/k) dan Fourier (Fo = at/l²), dimanaa = k/rC_p adalah difusivitas panas bahan (m²/det), ke persamaan (10-2) diperoleh:

(10-3)

• Pendekatan yang mengabaikan tahanan permukaan

Untuk bahan biologik, yang pada umumnya mempunyai konduktivitas panas yang rendah, maka nilai bilangan Biot akan menjadi lebih besar. Jika konduktivitas tersebut jauh lebih besar daripada pindah panas konveksi pada permukaan, maka pendugaan harus didasarkan pada asumsi tahanan dalam jauh lebih besar daripada tahanan permukaan (NBi > 40). Hal ini menyebabkan laju pendinginan sangat tergantung pada jenis dan geometri benda yang didinginkan. Perhitungan untuk suatu benda berbentuk lempeng tak-hingga dapat dikembangkan dari persamaan berikut:

(10-4)
dimana x adalah tebal benda yang didinginkan (m). Persamaan tersebut dapat dipecahkan menjadi:

(10-5)
Pemecahan untuk bentuk silinder tak-hingga dan bola, masing-masing ditunjukkan pada persamaan berikut:

Bentuk silinder tak-hingga:

(10-6)

dimana J0 adalah fungsi Bessel ordo ke-0, J1 adalah fungsi Bessel ordo ke-1, dan Rn adalah persamaan batas (boundary equation) ordo ke-n.

Bentuk bola:

(10-7)

• Pendekatan yang memperhitungkan tahanan internal dan permukaan

Pendekatan ini digunakan apabila bilangan Biot mempunyai nilai antara 0.1 sampai 40. Pendekatan ini menyiratkan bahwa kedua tahanan, baik tahanan dalam maupun permukaan mempunyai nilai yang cukup berarti, sehingga perhitungan dilakukan dengan mencakup kedua tahanan tersebut. Untuk maksud tersebut, digunakan bagan yang mempermudah dalam perhitungan pindah panas.

2. Penggunaan Grafik Suhu-Waktu

Metoda grafik suhu-waktu dapat dibagai atas teraan (plot) aritmetik dan teraan eksponensial terhadap data suhu vs waktu.

a. Teraan Aritmetik.

Dua metoda yang digunakan secara luas untuk menampilkan data pendinginan dengan metoda teraan aritmetik adalah waktu paruh pendinginan dan laju pendinginan.

• Waktu paruh pendinginan.

Jika sifat dan suhu pendinginan tetap, maka waktu yang diperlukan untuk menurunkan suhu bahan menjadi separuh dari nilai sebelumnya adalah tetap. Waktu tersebut disebut sebagai waktu paruh (th). Waktu paruh dapat diterapkan dalam penentuan kebutuhan waktu untuk menurunkan suhu 75% dari suhu awalnya, yaitu 2 kali waktu paruh (Gambar 10-1).

• Laju pendinginan.

Jika suhu media pendingin tetap, koefisien pendinginan Cr atau laju spesifik , yang yang merupakan hasil bagi antara penurunan suhu dengan beda suhu rata-rata logaritmik dan waktu dapat dihubungkan dengan waktu paruh sebagai berikut :
Cr Z = ln 2 = 0,693

Jika suhu media pendingin tetap, waktu yang diperlukan untuk menurunkan suatu satuan suhu, atau penurunan suhu yang terjadi selama periode tertentu, dapat dilakukan dengan pemecahan aljabar atau secara grafik semi-log. Jika suhu pendinginan tidak tetap, suhu media pendingin harus ditentukan lebih dahulu agar proses pendinginan dapat dibagi terhadap periode suhu yang mendekati tetap dalam menentukan penurunan suhu tiap periode waktu tertentu.

Perhitungan waktu paruh atau laju pendinginan hanya memerlukan suhu pendinginan dan suhu produk pada dua waktu tertentu, dan hanya menggunakan satu parameter, sehingga perhitungan rancangan sangat sederhana.

b. Teraan Semi-Logaritmik.

Metoda ini didasarkan pada konsep bahwa teraan data pendinginan konduktif dalam bentuk log (T-T1) terhadap waktu membentuk garis lurus (Gambar 10-2).

• Pendinginan Newtonian

Pendinginan Newtonian didasarkan pada hubungan

(10-8)

yang dapat dipecahkan menjadi

atau (10-9)

Teraan log (T-T1) terhadap waktu adalah linier dan garis lurus yang dihasilkan dapat digambarkan dengan derajat kemiringan K. Pada kasus Newtonian, kesenjangan perpindahan kalor dari pusat ke permukaan bahan diasumsikan tidak terjadi, meskipun pada kenyataannya kesenjangan tersebut terjadi. Model pendinginan Newtonian merupakan dasar analisis pendinginan dengan tumpukan es, atau analisis beban pendinginan.

• Pendekatan asimptotik

Terdapat dua jenis pemecahan dengan pendekatan asimptotik. Pada jenis pertama, proses pendinginan dipecah menjadi waktu yang dibutuhkan oleh proses pendinginan tersebut untuk memengaruhi pusat bahan, (metoda Backstrom), atau waktu khayal dimana pendinginan menjadi mantap pada laju asimtotiknya (metoda Rutov), dan periode berikut dimana proses pendinginan mendekati logaritmik (Gambar. 10-3).

Pada metoda Backstrom (10-10)

Pada metoda Rutov (10-11)

Pada jenis kedua (metoda Baehr), perpotongan kurva dengan sumbu suhu ditentukan oleh rasio logaritma (basis e) pengganda tetap dari bagian pertama expansi deret dengan kuadrat dari akar pertama persamaan nilai batas,(ln j)/, dan ditentukan sebesar 0.10.

Ketiga metoda pemecahan tersebut memberi pendekatan untuk menyederhanakan pendugaan titik potong dan garis singgung dari asimptot garis lurus. Ketiga metoda tersebut, pada dasarnya, lebih bermanfaat untuk menduga laju pendinginan dari pada untuk mengkolerasikan data pendinginan.

• Pemecahan asimtotik sesungguhnya.

Persamaan (10-12) dapat digunakan untuk menggambarkan proses pemanasan dan pendinginan bahan pangan dalam bentuk asimtot garis lurus terhadap kurva sebenarnya, jika data diterakan pada grafik semi-log. Parameter f (dalam satuan menit) adalah waktu untuk menurunkan suhu 90%, atau waktu yang dibutuhkan untuk melalui satu siklus logaritma pada bagian linier kurva. Parameter j adalah rasio beda suhu pada titik potong dengan beda suhu mula-mula yang sebenarnya.

(10-12)

Untuk menggunakan metoda ini, data suhu-waktu dari proses pindah kalor konduksi dapat diterakan dalam bentuk log ((T-T1)/(To –T1)) terhadap waktu, atau log (T – T1) terhadap waktu, atau T pada skala log (T – T1) + T1 terhadap waktu, Kemudian, garis lurus terbaik yang mewakili asimtot dapat ditarik melalui titik data tersebut. Asimtot dapat dibentuk langsung dari kedua parameter f dan j, dengan asumsi data suhu awal dan akhir diketahui. Parameter f dan j seperti ditunjukkan pada Tabel 12-1 dapat diterapkan untuk konfigurasi geometri khusus, dengan catatan hambatan pindah kalor pada permukaan dapat diabaikan. Jika hambatan pindah kalor permukaan terlalu besar, parameter f dan j menjadi fungsi bilangan Biot.

Tabel 10-1. Persamaan yang menghubungkan laju pemanasan/pendinginan f, difusivitas termal a, dimensi objek dan nilai j pada pusat geometri (Pflug dan Blaisdel, 1963)

Bentuk objek	Persamaan	j pada pusat geometri
Balok		2.064
Lempeng tak-hingga		1.273
Silinder terhingga		2.040
Silinder tak-hingga		1.602
Bola		2.000

C. Metode Analisis Korelasi Data Pendinginan dan Pendugaan Laju Pendinginan

Pflug dan Blaisdel (1963) juga memberi pemecahan eksak untuk pendekatan yang mengabaikan tahanan permukaan dalam bentuk deret tak-hingga yang konvergen. Karena kekonvergenan deret tersebut berlangsung cukup cepat, maka pada nilai waktu yang cukup besar hanya elemen pertama yang bermakna. Pada kasus lempeng tak hingga, elemen pertama deret tersebut adalah:

(10-13)

Jika log (T – T1) atau bentuk lain yang sesuai diterakan terhadap waktu, maka persamaan tersebut akan menghasilkan garis lurus. Pada nilai waktu yang besar, kurva yang dibentuk dari persamaan (10-13) akan memberi pendekatan yang memadai. Hubungan mendasar antara teraan suhu semi-log dengan kurva pendinginan berbentuk garis lurus inilah yang memberi dasar pada peneraan data pindah kalor konduktif transien pada berbagai bentuk log (T-TI) terhadap waktu dan penarikan garis lurus melalui titik-titik tersebut.
Persamaan diatas terdiri atas tiga bagian menarik. Bagian merupakan titik potong asimptot garis lurus saat mempertimbangkan suhu pusat lempeng tak-hingga. Bagian adalah 1,0 pada titik tengah (x = 0), yang mengatur dan menyesuaikan titik potong untuk kondisi pendinginan yang diukur pada jarak x dari sumbu koordinat (pusat lempeng tak-hingga berada pada sumbu koordinat). Bagian eksponen dari persamaan yang memuat fungsi waktu, juga merupakan pemecahan untuk persamaan dasar (fungsi bilangan Biot), difusivitas termal () dan a2 (kuadrat setengah ketebalan). Pada teraan log (T - TI) terhadap waktu, -adalah kemiringan sesungguhnya (tan j) asimtot garis lurus tersebut. Pada tabel 10-2. dicantumkan perbandingan parameter kurva pendinginan pada pusat bahan untuk berbagai metoda.

Penerapan metoda Rutov agak rumit karena kesulitan dalam mengubah persamaan menjadi fungsi eksponensial sederhana, sedangkan metoda Backstrom lebih mudah tetapi kurang teliti. Dari segi perancangan laju pendinginan, metoda Ball dan Olson adalah yang paling tepat diikuti oleh metoda Baehr, Rutov dan Backstrom. Tetapi, peningkatan ketepatan tersebut juga diikuti oleh peningkatan kesulitan dan kerumitan penggunaannya.

D. Faktor yang perlu diperhatikan dalam pemilihan metode

Tiga kategori yang menjadi perhatian adalah metoda peneraan data, penggambaran arah kurva, dan penanganan fase senjangan waktu.

a. Metoda Peneraan Data, Sistem Koordinat dan Skala

Beberapa alternatif yang dapat dipertimbangkan dalam pemilihan metoda peneran data, termasuk sistem koordinat dan skala adalah:

• Suhu vs waktu, secara aritmetik
• vs. waktu, secara aritmetik
• vs. waktu
• vs. waktu
• T pada skala vs. waktu

Pemilihan sistem koordinat serta sistem skala adalah penting dari sisi kegunaan metoda analisis. Koordinat persegi menawarkan kesederhanaan dan kemudahan dari sisi pengguna. Jika data suhu-waktu ditera pada koordinat persegi, kurva yang dihasilkan dapat digunakan untuk mengkaji irregularitas, maksima atau minima, dan membandingkannya terhadap data lain yang ditera dengan cara yang sama. Jika kurva ditera pada koordinat semi-logaritma, beberapa sifat yang tidak tampak pada koordinat persegi dapat dikaji, dan berbagai informasi dapat digali. Sistem skala pada koordinat semi-log dapat dilakukan dalam berbagai bentuk, seperti pada gambar 10-a, b, dan c.

Gambar 10-4a. Gambar 10-4b. Gambar 10-4c.

Persamaan asimtot pada gambar 10-4a. adalah :

(10-14)

Gambar 10-4b : (10-15)

Gambar 10-4c : (10-16)

Pada Gambar 10-4a. ditera (T-Tm)/(Ta-Tm) terhadap t, pada Gambar 10-4b (T-Tm) terhadap t, dan pada Gambar 10-4c ditera T terhadap t. Skala suhu pada Gambar 12-4c dibentuk dengan menambahkan suhu media pendingin ke nilai skala log. Pada Gambar 10-4c, suhu media pendingin (Tm) dianggap 5°C, sehingga siklus berikutnya bernilai 15 dan 105°C. Dengan cara demikian, data suhu-waktu dapat ditera langsung pada grafik tersebut. Pada titik-titik data dapat ditarik garis lurus, dan nilai dapat dihitung sebagai waktu yang dibutuhkan untuk garis tersebut melintasi satu siklus logaritma. Nilai suhu dimana terjadi perpotongan dengan garis lurus yang ditarik adalah Ta, dan rasio intersep j = (Ta - TI)/(To - TI).

b. Penggambaran Arah Kurva

Alternatif untuk penggambaran arah kurva adalah kemiringan sebenarnya (tan j), parameter f, waktu paruh pendinginan Z, parameter K, dan tetapan waktu t. Pada Gambar 10-4, harus disepakati bahwa asimtot kurva pendinginan konduktif adalah garis lurus, dan jika nilai waktu cukup besar maka asimtot akan berhimpit dengan kurva pendinginan. Sehingga, berbagai metoda penggambaran arah garis seperti parameter f, waktu paruh Z, koefisien pendinginan C, tetapan waktu t, atau parameter K, merupakan kemiringan sebenarnya (tan j). Faktor konversi antar parameter tersebut adalah :
= 2.303/Cr
Cr= 0.693/Z
= 3.32 Z
Pemilihan parameter yang menunjukkan arah asimtot garis lurus tersebut harus dilakukan berdasarkan kemudahan, untuk mengantisipasi bahwa nilai tersebut akan menjadi alat yang digunakan untuk membentuk kurva pendinginan dalam menduga waktu pendinginan. Nilai parameter f dianggap lebih memudahkan, meskipun waktu paruh juga dapat digunakan, karena telah umum digunakan pada industri pengolahan pangan.

Tabel 10-2. Perbandingan parameter kurva pendingingan pada pusat bahan

Metoda	Geometri	Pers. dasar	Intersepa	Kemiringan (tanø)
Laju pendinginan	semua	-	1
Waktu paruh pending	semua	-	1
Pending Newtonian	semua	-	1
Leggett and Sutton	semua	-	Bump factor
Backstrom	lempeng
Rutov	lempeng		antilog
Rutov	silinder		antilog
Rutov	bola		antilog
Baehr	semua	S.d.. Ball and Olson
Ball	semua	-	j
Ball and Olson	lempeng
Ball and Olson	silinder
Ball and Olson	bola

a Nilai intersep ; Sumber: Pflug, I.J., and J.L. Blaisdell (1963)

Hal terpenting dari analisis kurva pendinginan adalah menghubungkan arah asimtot dengan ukuran bahan yang sedang didinginkan dan dengan karakteristik pindah kalor eksternal yang dinyatakan dengan bilangan Biot. Hubungan antara rasio dengan bilangan Biot dapat digunakan untuk pembentukan kurva pendinginan jika karakteristik pindah kalor, dimensi bahan dan sifat termal bahan diketahui. Kurva pendinginan semi-log mempunyai sifat yang sangat berguna, misalnya kemiringan kurva pendinginan asimtotik adalah sama pada setiap titik pengukuran dalam bahan yang mengalami pendinginan konduktif. Jika pengujian dilakukan dengan ketelitian yang cukup, kurva asimtotik dapat digunakan untuk menentukan difusivitas termal dan koefisien pindah panas permukaan.

c. Penanganan Fase Senjangan Awal

Penanganan fase senjangan awal dapat dilakukan dengan alternatif berikut:

• diabaikan (dianggap sama dengan 1,0)
• dianggap sebagai peubah yang tergantung pada bentuk, posisi dan bilangan Biot.
• dimasukkan dalam waktu paruh pertama atau 90% waktu pendinginan.

Sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 4, kurva dapat dilanjutkan hingga memotong sumbu tegak. Titik perpotongan sama dengan 1,0 hanya jika tidak terjadi senjangan pindah kalor pada titik pengukuran. Tetapi, pada bahan dengan massa besar akan terjadi senjangan pendinginan, sehingga arah asimtot biasanya dilaporkan bersama-sama nilai titik potong tersebut. Jika bilangan Biot diplot terhadap nilai j pada pusat suatu lempeng akan tampak bahwa jika tahanan permukaan cukup besar maka nilai j pada pusat mendekati satu, tetapi akan meningkat sesuai dengan pengurangan tahanan permukaan.

Notasi :
A : luas permukaan bahan (m2)
2a : tebal lempeng tak-hingga (m)
C_p : kalor jenis bahan pada tekanan tetap (J/kg.K)
C_r : laju pendinginan atau koefisien pendinginan (-)
D : diameter bahan berbentuk silinder atau bola
f : waktu yang diperlukan untuk asimtot kurva pendinginan melintasi satu siklus logaritma, yaitu untuk penurunan, 90% suhu pada bagian linier kurva pendinginan.
h : koefisien pindah kalor permukaan
Jn(Rn) : fungsi Bessel orde ke-n untuk argumen Rn
j : faktor senjangan (T_a - T_I)/(T_o -T_I)
K : koefisien yang menunjukkan laju pendinginan
k : konduktivitas termal (J/m.K)
L : panjang karakteristik bahan pada arah aliran fluida (m)
r : jari-jari bola atau silinder (m)
T : suhu (K); To suhu awal, Tm suhu media, Ta suhu awal semu (bagian linier kurva pendinginan).
t : waktu (det)
x : jarak dari pusat bahan ke titik pengukuran (m)
V : volume bahan pada persamaan pendinginan Newton (m3), atau kecepatan fluida pada NRe (m/det)
Z : waktu paruh pendinginan
a : difusivitas termal (k/r C_p)
Rn : persamaan boundary akar ke-n
m : viskositas fluida
r : massa jenis (kg/m³)

Latihan

1. Jelaskan salah satu penyebab kenapa dinding suatu ruang penyimpan dingin (coldstorage) dapat mengalami pengembungan. Apa yang dapat anda lakukan untuk mengatasi hal tersebut.

2. (a) Jelaskan perbedaan antara pra-pendinginan (precooling) dengan penyimpanan dingin, (b) Kata kunci yang penting pada pra pendinginan adalah ”sesegera mungkin” dan ”secepat mungkin”, jelaskan pengertian kedua hal tersebut.

Test Formatip

1. Jelaskan secara singkat mengapa produk pertanian segar mengalami pengerutan jika disimpan di dalam ruang pendingin

2. Apa yang dimaksud dengan laju pendinginan? Mengapa penting untuk diketahui kalau kita akan menyimpan produk?

3. Jelaskan dengan singkat dua hal yang perlu anda perhatikan dalam merancang dinding suatu coldstorage.

4. Jelaskan kenapa pada evaporator mesin pendingin dalam suatu ruang penyimpanan dingin (coldstorage) sering ditemukan gumpalan es? Kerugian apa yang akan disebabkan oleh pembentukan es pada koil evaporator dan sebutkan dua hal yang dapat dilakukan untuk mengatasinya.

5. Suhu koil evaporator di dalam ruang penyimpanan dingin (coldstorage) adalah -25 oC sedangkan suhu di luar ruangan adalah 27 oC dengan kelembaban 70%. Jika pintu ruang penyimpan dingin tersebut dibuka dan selama terbuka tersebut 2 kg udara masuk ke dalam ruangan, tentukan berapa banyak (kg) air yang akan terkondensasi di permukaan koil tersebut.

6. Dari data pendinginan diketahui bahwa waktu paruh pendinginan suatu produk adalah 40 menit. Suhu awal produk tersebut adalah 28°C dan suhu media pendingin adalah 4°C.

• Tentukan tetapan laju pendinginannya
• Tentukan suhu produk setelah 2 jam pendinginan

7. Markisa dengan ukuran jari-jari 3 cm didinginkan di dalam ruang penyimpan dingin yang bersuhu 5 oC. Difusivitas panas buah markisa adalah 1,2 X 10-7 m2/det, massa satu buah markisa adalah 100 gram, dan pada awalnya bersuhu 30 oC.

• Hitung berapa waktu yang diperlukan untuk mendinginkan markisa tersebut ke suhu 10 oC menggunakan persamaan semi-empirik dengan asumsi bahwa markisa berbentuk bola.
• Tentukan suhu bahan setelah 1 jam pendinginan (berdasarkan soal butir a)
• Hitung berapa waktu yang diperlukan untuk mendinginkan markisa tersebut ke suhu 10 oC menggunakan nilai j = 1,8 dan f = 19,6 menit (hasil analisa data pendinginan)
• Tentukan suhu bahan setelah 1 jam pendinginan (berdasarkan soal butir c)
• Jelaskan perbedaan jawaban yang anda peroleh dengan cara (a) dan (c)

8. Sebuah perusahaan yang bergerak di bidang agribisnis memerlukan cold storage untuk keperluan pre cooling sayuran daun yang dipanennya. Tiap hari, luas panen sayuran adalah 0.8 ha dengan produktivitas 12 ton per ha. Perusahaan menentukan kriteria disain sebagai berikut: Panjang x lebar x tinggi = 12 x 12 x 3 m. Bahan dinding: concrete 200 mm (k = 1.73 W/m K), Polyurethane 75 mm (k = 0.025 W/m K), dan plester 13 mm (k = 0.72 W/m K). Bahan atap dan lantai : Concrete block 125 mm dan Corkboard 100 mm (U = 0.383 W/m2 K). Suhu awal produk adalah 30°C dan suhu akhir 5°C dengan lama pre cooling 12 jam. Beban pekerja adalah 4 orang yang bekerja 4 jam selama 12 jam waktu pre cooling (Beban orang pada suhu 5°C = 0.242 kW/orang). Sedangkan di dalam cold storage terdapat lampu 30 watt sebanyak 20 buah yang menyala 4 jam per hari. Diketahui reaksi panas dari sayuran 0.129 W/kg, panas jenis sayuran 3.77 kJ/kg K. Hitunglah kapasitas pendinginan dari cold storage yang akan dibuat.

9. Jika 2000 kg produk dengan Cp = 2kJ/kg-K, yang mempunyai suhu awal 30oC, akan didinginkan menjadi 4oC, berapa panas (kW) yang dikeluarkan dari produk apabila proses tersebut harus berlangsung dalam 2 jam. Jika untuk proses 4(a) tersebut digunakan udara bersuhu 2oC, dimana koefisien pindah panasnya 10W/m2-K, dan total luas permukaan produk 32m2, berapa waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikan proses pendinginan tersebut?

10. Proses pra-pendinginan apel dianggap berlangsung secara Newtonian, dan mengikuti persamaan

Jika suhu media pendingin (Tm) yang digunakan adalah 0 oC, suhu awal apel (T0) saat masuk ke mesin pendingin adalah 25 oC. Dalam waktu setengah jam (t) suhu apel telah mencapai 15 oC, tentukan:

• Tetapan laju pendinginan (k) dalam satuan -/menit
• Suhu apel setelah 1 jam
• Waktu yang diperlukan agar suhu apel mencapai 5oC.

PUSTAKA

Bird, R.B., Stewart, W.E., Lightfoot, E.N., 1960, Transport Phenomena, Wiley International Edition, New York, USA
Gaffney, J.J., Baird, C.C., Chau, K.V., 1985, Methods for calculating heat and mass transfer in fruits and vegetables, Trans. ASHRAE, Vol. 91, pp. 333-352
Heldman, D.R., Singh, R.P., 1981, Food Process Engineering (2nd Edition), AVI Publishing Co., Connecticut, USA
Pflug, I.J., Blaisdell, J.L., 1963, Methods of analysis of precooling data, ASHRAE Journal, November, 1963

BAB 9. PENGKONDISIAN UDARA

Tujuan Instruksional Khusus

Mmahasiswa mampu melakukan perhitungan dan analisis pengkondisian udara. Cakupan dari pokok bahasan ini adalah prinsip pengkondisian udara, penggunaan diagram psikrometri, penghitungan beban pendinginan sensibel dan laten.

1. Prinsip Dasar Pengkondisian Udara

Untuk mencapai kenyamanan, kesehatan dan kesegaran hidup dalam rumah tinggal atau bangunan – bangunan bertingkat, khususnya di daerah beriklim tropis dengan udara yang panas dan tingkat kelembaban tinggi, diperlukan usaha untuk mendapatkan udara segar baik udara segar dari alam dan aliran udaran buatan. Udara yang nyaman mempunyai kecepatan tidak boleh lebih dari 5 km/jam dengan suhu/ temperatur kurang dari 30°C dan banyak mengandung O2.

Daerah di Indonesia kebanyakan kurang memberikan kenyamanan karena udaranya panas (23 -34°C), kotor (berdebu, berasap) dan angin tidak menentu, khususnya pada bangunan tinggi dimana angin mempunyai kecepatan tinggi. Karena keadaan alam yang demikian, maka diperlukan suatu cara untuk mendapatkan kenyamanan dengan menggunakan alat penyegaran udara (air condition).

Pengkondisian udara adalah perlakuan terhadap udara untuk mengatur suhu, kelembaban, kebersihan dan pendistribusiannya secara serentak guna mencapai kondisi nyaman yang diperlukan oleh orang yang berada di dalam suatu ruangan. Atau dapat didefinisikan suatu proses mendinginkan udara sehingga mencapai temperatur dan kelembaban yang ideal. Sistem pengkondisian udara pada umumnya dibagi menjadi 2 golongan utama :

• Pengkondisian udara untuk kenyamanan kerja

• Pengkondisian udara untuk industri

Sistem pengkondisian udara untuk industri dirancang untuk memperoleh suhu, kelembaban dan distribusi udara yang sesuai dengan yang dipersyaratkan oleh proses serta peralatan yang dipergunakan di dalam ruangan. Dengan adanya pengkondisian udara ini, diharapkan udara menjadi segar sehingga karyawan dapat bekerja dengan baik, pasien di rumah sakit menjadi lebih nyaman dan penghuni rumah tinggal menjadi nyaman

1.b. Komposisi utama sistem pengkondisian udara

Gambar 9.1. Sistem pengkondisian udara

Gambar 9.1. memperlihatkan komponen utama dari skema sistem pengkondisian. Komponen sistem pengkondisian udara adalah: sistem pembangkit kalor, mesin refrigerasi, menara pendingin dan ketel uap sistem pipa: pipa air dan pipa refrigerasi dan pompa pengkondisian udara: saringan udara, pendingin udara, pemanas udara dan pelembab udara sistem saluran udara: kipas dan saluran udara

Komponen AC yang dilalui sirkkulasi udara

• Fan (kipas udara) menggerakkan udara dari atau ke dalam ruangan. Udara yang dialirkan fan dapat berupa udara luar, udara ruangan atau gabungan dari udara luar dan udara ruangan. Jumlah aliran udara dan kecepatan udara harus diatur, agar memperoleh sirkulasi udara yang baik
• Supply Duct (saluran udara keluar): untuk saluran udara dingin dari fan ke dalam ruangan
• Supply out let (lubang keluar): untuk megatur arah aliran udara dari fan, sehingga udara terdistribusi ke seluruh ruangan. Untuk kenyamanan, jumlah out let turut menentukan
• Ruangan yang didinginkan: ruangan harus tertutup, sehingga udara dingin dalam ruangan tidak terbuang keluar dan udara luar tidak masuk ke dalam ruangan.

Gambar 9.2 Diagram sistem pengkondisian udara

Prinsip pengkondisian udara adalah kondisi udara dalam ruangan dapat dalam keadaan sangat dingin, panas, lembab, kering, kecepatan udara tinggi atau tidak ada gerakan udara. Udara dingin digerakkan oleh Fan masuk reducting (saluran udara) dan melalui out let (lubang keluar) udara masuk ke dalam ruangan. Udara dari dalam ruangan kembali ke return out let (grile/ lubang isap) masuk ke ducting return (saluran kembali) dan melalui filter untuk pembersihan udara masuk melewati celah-celah/ permukaan coil evaporator (koil pendinginan) dan kembali digerakkan Fan (kipas udara).

2. Psikrometrik untuk Proses Air Conditioning

Psikometrik adalah ilmu yang mempelajari sifat-sifat termodinamika dari udara basah. Secara umum digunakan untuk mengilustrasikan dan menganalisis perubahan sifat termal dan karakteristik dari proses dan siklus sistem penyegaran udara (air conditioning). Diagram psikometrik adalah gambaran dari sifat-sifat termodinamika dari udara basah dan variasi proses sistem penyegaran udara dan siklus sistem penyegaran udara. Dari diagram psikometrik akan membantu dalam perhitungan dan menganalis kerja dan perpindahan energi dari proses dan siklus sistem penyegaran udara. Diagram psikrometrik ditunjukkan pada Gambar 9.3.

Gambar 9-3 Kurva Psikrometri

Proses yang terjadi pada udara dapat diganbarkan dalam bagan psikrometrik guna menjelaskan perubahan sifat-sifat udara yang penting seperti suhu, asio kelembaban dan entalpi dalm proses-proses tersebut. Beberapa proses dasar dapat ditunjukkan sebagai berikut

a. Proses Pemanasan dan pendinginan

Proses pemanasan dan pendinginan diartikan sebagai laju perpindahan kalor yang hanya disebabkan oleh perubahan suhu bola kering. Gambar 9.4. menunjukkan suatu perubahan suhu bola kering tanpa ada perubahan rasio kelembaban.

Gambar 9.4. Pemanasan dan pendinginan sensibel

b. Pelembaban adiabatik dan non adiabatik

Gambar 9.5. menunjukkan proses pelembaban yang dapat bersifat adiabatik (proses 1-2) atau dengan penambahan kalor (proses 1-3).

Gambar 9.5. Proses pelembaban udara

c. Pendinginan dan pengurangan kelembaban

Proses ini menurunkan suhu bola kering dan rasio kelembaban (Gambar 9.6). Proses ini terjadi pada koil pendingin atau alat penurun kelembaban.

Gambar 9.6. Pendinginan dan penurunan kelembaban

d. Pengurangan kelembaban kimiawi

Pada proses kimiawi (Gambar 9.7), uap air dari udara diserap atau diadsorbsi oleh suatu bahan higroskopik. Jika proses tersebut diberi penyekat kalor, sehingga entalpinya tetap, dan karena kelembabannya turun maka suhu udara tersebut harus naik.

Gambar 9.7. Proses penurunan kelembaban kimiawi

e. Pencampuran Udara

Campuran dua aliran udara adalah proses yang umum di dalam pengkondisian udara. Gambar 9.8 menunjukkan pencampuran udara antara w1 kg/detik udara dari keadaan 1 dengan w2 kg/detik udara dari keadaan 2. Hasilnya adalah kondisi 3, terlihat pada grafik psikrometrik dalam Gambar 9.9.

Gambar 9.8. Skema pencampuran udara Gambar 9.9. Proses pencampuran udara pada kurva psikrometrik

Persamaan dasar untuk proses pencampuran ini adalah persamaan kesetimbangan energi dan keseimbangan massa. Persamaan keseimbangan energi adalah:

	.........................................................................................	9-1

Dan persamaan kestimbangan massa air adalah:

	.........................................................................................	9-2

Persamaan 9.1 dan 9.2 menunjukkan bahwa entalpi dan rasio kelembaban akhir adalah rata-rata dari entalpi dan rasio kelembaban udara saat masuk. Suatu pendekatan yang dilakukan oleh para ahli adalah bahwa suhu dan rasio kelembaban merupakan harga rata-rata udara masuk. Dengan pendekatan ini, titik yang terdapat pada grafik psikrometrik di atas menyatakan hasil dari suatu proses pencampuran yang terletak pada garis lurus yang menghubungkan titik-titik dari kondisi-kondisi pemasukan. Selanjutnya perbandingan jarak pada garis 1-3 dan 2-3 sama dengan perbandingan laju aliran w2 dan w1.

3. Perhitungan Beban Pendinginan

Tujuan utama sistem pengkondisian udara adalah mempertahankan keadaan udara didalam ruangan dan meliputi pengaturan temperatur, kelembaban relatif, kecepatan sirkulasi udara maupun kualitas udara. Sistem pengkondisian udara yang dipasang harus mempunyai kapasitas pendinginan yang tepat dan dapat dikendalikan sepanjang tahun. Kapasitas peralatan yang dapat diperhitungkan berdasarkan beban pendinginan setiap saat yang sebenarnya. Alat pengatur ditentukan berdasarkan kondisi yang diinginkan untuk mempertahankan selama beban puncak maupun sebagian. Beban puncak maupun sebagian tidak mungkin dapat diukur sehingga diperlukan prediksi melalui perhitungan yang mendekati keadaan yang sebenarnya.

Untuk maksud perkiraan tersebut diperlukan survei secara mendalam agar dapat dilakukan analisis yang teliti terhadap sumber-sumber beban pendinginan. Pemilihan peralatan yang ekonomis dan perancangan sistem yang tepat dapat dilakukan juga beban pendinginan sesaat yang sebenarnya dapat dihitung secara teliti.

Beban pendinginan sebenarnya adalah jumlah panas yang dipindahkan oleh sistem pengkondisian udara setiap hari. Beban pendinginan terdiri atas panas yang berasal dari ruang dan tambahan panas. Tambahan panas adalah jumlah panas setiap saat yang masuk kedalam ruang melalui kaca secara radiasi maupun melalui dinding akibat perbedaan temperatur. Pengaruh penyimpanan energi pada struktur bangunan perlu dipertimbangkan dalam perhitungan tambahan panas. Perhitungan beban pendingin dapat diperoleh dari ASHRAE Handbook of Fundamentals. Tata cara perhitungan ini dapat menghasilkan sistem pengaturan udara yang terlalu besar yang mengakibatkan kurang efisien dalam pemakaian. Dengan makin besarnya biaya-biaya pemakaian energi maka makin dirasa perlu mengadakan optimasi sistem pengaturan udara suatu gedung atau bangunan yang harus dihitung dari waktu kewaktu secara dinamis.

Gambar 9.10. Perhitungan beban pendinginan

Didalam kenyataannya kalor yang masuk kedalam gedung tidak tetap, karena faktor-faktor yang mempengaruhi kalor tersebut juga berubah-ubah. Sebagai contoh temperatur udara luar (lingkungan) nilainya merupakan fungsi waktu, yaitu maksimum disiang hari rendah dipagi dan sore hari, sedang minimumnya dimalam hari. Demikian pula kelengasan udara luar maupun radiasi surya yang mengenai dinding bangunan nilainya berubah terhadap waktu.

Untuk memperhitungkan pengaruh dari perubahan tersebut sangatlah sulit, bahkan mungkin tidak praktis untuk dihitung. Oleh karena itu untuk menentukan keadaan tak lunak (transien) akan dipilih faktor-faktor yang dominan. Disamping itu akan diperhatikan adanya absorbsi oleh struktur bangunan.

Dasar perhitungan beban pendinginan dilakukan dengan dua cara, yaitu:

• perhitungan beban kalor puncak untuk menetapkan besarnya instalasi
• perhitungan beban kalor sesaat, untuk mengetahui biaya operasi jangka pendek dan jangka panjang serta untuk mengetahui karakteristik dinamik dari instalasi yang bersangkutan.

Beban pendinginan merupakan jumlah panas yang dipindahkan oleh suatu sistem pengkondisian udara. Beban pendinginan terdiri dari panas yang berasal dari ruang pendingin dan tambahan panas dari bahan atau produk yang akan didinginkan. Tujuan perhitungan beban pendinginan adalah untuk menduga kapasitas mesin pendingin yang dibutuhkan untuk dapat mempertahankan keadaan optimal yang diinginkan dalam ruang.

Aspek-aspek fisik yang harus diperhatikan dalam perhitungan beban pendingin antara lain :
1. Orientasi gedung dengan mempertimbangkan pencahayaan dan pengaruh angin
2. Pengaruh emperan atau tirai jendela dan pantulan oleh tanah
3. Penggunaan ruang
4. Jumlah dan ukuran ruang
5. Beban dan ukuran semua bagian pembatas dinding
6. Jumlah dan aktivitas penghuni
7. Jumlah dan jenis lampu
8. Jumlah dan spesifikasi peralatan kerja
9. Udara infiltrasi dan ventilasi

Beban pendinginan suatu ruang berasal dari dua sumber, yaitu melalui sumber eksternal dan sumber internal.
a. Sumber panas eksternal antara lain :

• Radiasi surya yang ditransmisikan melaui kaca
• Radiasi surya yang mengenai dinding dan atap, dikonduksikan kedalam ruang dengan memperhitungkan efek penyimpangan melalui dinding
• Panas Konduksi dan konveksi melalui pintu dan kaca jendela akibat perbedaan temperatur.
• Panas karena infiltrasi oleh udara akibat pembukaan pintu dan melalui celah-celah jendela.
• Panas karena ventilasi.

b. Sumber panas internal antara lain :

• Panas karena penghuni
• Panas karena lampu dan peralatan listrik
• Panas yang ditimbulkan oleh peralatan lain
  

Beban pendinginan total merupakan jumlah beban pendinginan tiap ruang. Beban ruang tiap jam dipengaruhi oleh perubahan suhu udara luar, perubahan intensitas radiasi, surya dan efek penyimpanan panas pada struktur/dinding bagian luar bangunan gedung.

Dalam sistem pendingin dikenal dua macam panas atau kalor yaitu panas sensible (panas yang menyebabkan perubahan temperatur tanpa perubahan fase). Setiap sumber panas yang dapat menaikkan suhu ruangan ditandai dengan naiknya temperatur bola kering (Tdb) akan menambah beban panas sensible.

Panas laten yaitu : panas yang menyebabkan perubahan fase tanpa menyebabkan perubahan temperatur misalnya : kalor penguapan. Setiap sumber panas yang dapat menambah beban laten. Udara yang dimasukkan kedalam ruangan harus mempunyai kelembaban rendah agar dapat menyerap uap air (panas laten) dan temperatur yang rendah agar dapat menyerap panas dari berbagai sumber panas dalam ruangan (panas sensible), agar kondisi ruangan yang diinginkan dapat dipercepat.

Beban ini dapat diklasifikasikan sebagai berikut :

a. Penambahan beban sensible

• Transmisi panas melalui bahan bangunan, melewati atap, dinding, kaca, partisi, langit-langit dan lantai
• Radiasi sinar matahari
• Panas dari penerangan atau lampu-lampu
• Pancaran panas dari penghuni ruangan
• Panas dari peralatan tambahan dari ruangan
• Panas dari elektromotor

b. Penambahan panas laten

• Panas dari penghuni ruangan
• Panas dari peralatan ruangan

c. Ventilasi dan infiltrasi

• Penambahan panas sensible akibat perbedaan temperatur udara dalam dan luar
• Penambahan panas laten akibat kelembaban udara dalam dan luar

Beban pendinginan puncak (total heat load) adalah total panas yang harus diambil oleh suatu sistem pendingin. Secara umum terdiri dari

a. Panas konduksi (Q1)

Gambar 9.11. Skema perpindahan panas melalui dinding

Beban panas yang melalui dinding disebut sebagai beban kebocoran dinding, yaitu banyaknya panas yang bocor menembus dinding ruang dari bagian luar ke dalam. Karena tidak ada insulasi yang sempurna, maka akan selalu ada beban panas yang berasal dari luar ke dalam ruangan, karena suhu di dalam ruangan lebih rendah dari pada suhu di luar ruangan. Gambar 9.11. menunjukkan skema perpindahan panas melalui dinding..

Panas yang masuk melalui dinding dan atas:

	.......................................................................................	9-3

dimana Q = jumlah panas (W)
U = koefisien perpindahan panas total (W/m2 K)
A = luas permukaan (m2)
　(to-ti) = perbedaan suhu dalam dan luar ruang pendingin (K)

koefisien perpindahan panas total (U) dihitung dengan persamaan:

	..........................................	9-4

dimana x = tebal bahan insulasi (m)
k = konduktivitas termal bahan (W/m K)
h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2 K)

b. Field heat (Q2)

Beban kalor yang dibawa oleh produk yang akan didinginkan atau disimpan:

	.....................................................................................	9-5

dimana Q = jumlah panas (KJoule)
m = berat dari produk yang didinginkan (kg)
Cp= panas jenis dari produk di atas titik beku (KJoule/kg K)
ΔT= perubahan suhu produk (K)

c. Panas Respirasi (Q3)

Panas yang diperoleh dari produk sebagai akibat dari proses respirasi.

	.......................................................	9-6

d. Beban lampu (Q4)

	....................................................................................	9-7

e. Service load (Q5)

Service load adalah panas lain yang timbul dalam proses operasi pendinginan seperti kipas, operator, udara luar ketika pintu dibuka, motor listrik dan panas infiltrasi dari penyekat dan rak pendingin. Diperkirakan besarnya adalah sekitar 10% dari total konduksi panas, field heat dan panas respirasi.

Contoh soal:

1. Suatu campuran udara-uap bersuhu bola kering 30 °C dan rasio kelembaban 0.015. Hitunglah pada dua tekanan barometrik yang berbeda, 85 dan 101 kPa:

	a. entalpi udara campuran b. suhu pengembunanrasio

2. Dalam suatu unit pengkondisian udara, dimasukkan 3.5 m3/detik udara dengan suhu 27°C bola kering, kelembaban relatip 50 persen dan tekanan atmosfir standar. Udara keluar dengan keadaan suhu bola kering 13°C dan kelembaban relatif 90 persen. Dengan menggunakan sifat-sifat udara yang terdapat dalam kurva psikrometrik:

	a. hitung kapasitas refrigerasi dengan satuan kilowatt b. tentukan laju pemisahan air dan udara

3. Suatu aliran udara luar dicampur dengan aliran udara balik dalam suatu sistem pengkondisian udara yang bekerja pada tekanan 101 kPa. Laju aliran udara luar 2 kg/detik bersuhu bola kering 35°C dan suhu bola basah 25°C. Laju udara balik 3 kg/detik dengan suhu 24°C dan kelembaban relatif 50 persen. Tentukan:

	a. entalpi udara campuran b. rasio kelembaban udara campuran c. suhu bola kering udara campuran yang ditentukan dari sifat-sifat yang ditunjukkan dalam bagian a dan b d. suhu bola kering dengan mengukur suhu bola kering rata-rata arus masuk

4. Udara di dalam suatu ruangan bersuhu 30 oC dan RH 80%. Ukuran ruangan adalah 2 m x 3 m x 3 m. Dengan menggunakan diagram psikrometri tentukan:

• Suhu bola basah ruangan.
• Suhu titik embun ruangan.
• Kelembaban mutlak ruangan.
• Tekanan uap air di dalam ruangan.
• Jumlah panas yang harus dipindahkan dari ruangan tersebut (hint. Tentukan volume jenis berdasarkan suhu rata-rata udara)

Test Formatip

1. Dapat dipahami apabila kelembaban mutlak di dalam ruang pendingin lebih rendah daripada kelembaban mutlak lingkungan. Akan tetapi, dapatkah anda jelaskan mengapa kelembaban relatif (RH) dalam ruang pendingin dapat mempunyai nilai yang lebih rendah daripada RH lingkungan? (Gunakan skema bagan psikrometrik)

2. Diketahui udara di titik 1 mempunyai kondisi suhu (bola kering): 35oC dengan RH: 60% sedangkan udara di titik 2 mempunyai kondisi kondisi suhu (bola kering): 22oC dengan RH: 90%. Dengan laju aliran masing-masing 2 kg/detik (dari titik 1) dan 3 kg/detik (dari titik 2) keduanya bercampur di titik 3. Hitunglah suhu (bola kering) dan RH di titik 3 dengan:

• menggunakan diagram psikrometri, dan gambarkan sketsa pencampuran tersebut
• menggunakan rumus pencampuran udara.

3. Bila udara dengan kondisi Tdb = 30oC dan RH=70% didinginkan sampai kondisi jenuh, dengan dua cara berikut:

• Didinginkan pada kelembaban mutlak konstan
• Didinginkan secara adiabatik

Berapa suhu udara setelah pendinginan pada (a) dan (b) ?

4. Jika udara yang bersuhu 30oC dengan RH 60%,

• Didinginkan secara adiabatis sampai RH 90%, tentukan suhu udara bola kering, bola basah dan kelembaban mutlak dan perubahan entalpi
• Didinginkan pada kelembaban mutlak yang konstan sampai kondisi RH 90%, tentukan suhu bola kering, suhu bola basah dan juga perubahan entalpi

5. Suhu udara yang masuk dalam suatu unit pendingin udara (AC) adalah 27°C bola kering, RH 50% dan debit 3.5m3/detik. Sedangkan udara yang keluar bersuhu 13°C dan RH 90%. Dengan menggunakan sifat-sifat udara yang terdapat dalam bagan psikrometrik, hitung:

• kapasitas pendinginan (kilowatt)
• laju pemisahan air dari udara (kg/detik)

6. Diketahui beban panas sensibel dan laten dalam ruang pendingin single zone secara berturut-turut adalah 60 dan 6 kW. Ruang tersebut dijaga dalam suhu 18oC dengan RH 50%. Kondisi udara lingkungan adalah suhu 30oC dengan RH =70%. Untuk keperluan ventilasi digunakan campuran udara lingkungan dengan udara resirkulasi dengan perbandingan 1:4. Tentukan kondisi udara sebelum melalui koil (evaporator) dan suhu udara setelah melalui koil.

7. Jika perolehan (beban) panas dalam suatu ruang yang menggunakan pengkondisian udara zone tunggal adalah sebagai berikut: panas sensibel 60 kW dan panas laten 5 kW. Kondisi udara yang diinginkan dari ruangan tersebut adalah 25oC dan RH 60%, sedangkan kondisi udara luar adalah 35oC dan RH 60%. Misalnya syarat ventilasi untuk ruangan tersebut adalah: udara luar : udara resirkulasi = 1 : 7. Tentukan: (a) suhu udara masuk koil pendingin dan (b) suhu udara meninggalkan koil pendingin.

BAB 8. EVAPORATOR DAN KONDENSOR

Tujuan Instruksional Khusus

Mahasiswa mampu menghitung kebutuhan evaporator dan kondensor. Cakupan dari pokok bahasan ini meliputi keseimbangan panas dan massa pada evaporator dan kondensor, analisis rancangan evaporator dan kondensor serta berbagai jenis evaporator dan kondensor

A. Pendahuluan

Kondensor dan evaporator adalah jenis dari penukar panas (heat exchanger). Refrigeran melepaskan panas di kondensor dan menyerap panas di evaporator. Salah satu kalisfikasi kondensor dan evaporator dilihat dari letak refrigeran (di dlam atau di luar tabung) dan dari zat pendingin yang digunakan (gas atau cair). Klasifikasi ini dijelaskan pada tabel 1. Gas yang umum digunakan adalah udara dan air merupakan cairan yang sering digunakan sebagai zat pendingin.

Tabel 1. Klasifikasi refrigeran di kondensor dan evaporator

Komponen	Refrigeran	Zat pendingin
Kondensor	Di dalam pipa	Gas di luar Cairan di dalam*
	Di luar pipa	Gas di dalam Cairan di dalam
Evaporator	Di dalam pipa	Gas di luar Cairan di luar
	Di luar pipa	Gas di dalam* Cairan di luar

* = jarang digunakan

Evaporator dan kodensor umumnya berbentuk pipa. Perpindahan panas terjadi dari refrigeran ke dinding dalam ke dinding luar lalu ke zat pendingin. Tidak semua panas refrigeran dapat diserap oleh zat pendingin karena adanya koefisien pindah panas pada dinding pipa. Koefisien pindah panas ini dihitung dengan persamaan:

	............................................................	8-1

dengan Uo = koefisien pindah panas keseluruhan (W/m2K)
ho = koefisien pindah panas di dalam pipa (W/m2K)
hi = koefisien pindah panas di luar pipa (W/m2K)
x = tebal pipa (m)
Ao = luas pipa luar (m2)
Am = luas rata-rata pipa (m2)
Ai = luas pipa dalam (m2)

Jika cairan berada di dalam pipa, maka koefisien pindah panas di dalam pipa dihitung dengan:

	............................................................	8-2

dengan h = koefisien konveksi (W/m2K)
D = diameter dalam pipa (m)
k = konduktifitas termal fluida (W/mK)
V = kecepatan aliran fluida (m/det)
ρ = rapat massa fluida (kg/m3)
μ = viskositas fluida (Pa.detik)
cp = panas jenis fluida (J/kgK)

Pada heat exchanger dengan fluida yang berbeda (cairan dan gas), karena perbedaan nilai koefisien konveksi, maka akan terjadi perbedaan perpindahn panas. Untuk mengantisipasi hal ini, pipa pada bagian fluida yang berupa gas, diperluas permukaannya dengan penambahan sitip (fin). Karenanya, persamaan koefisien pindah panas keseluruhan ditulis kembali menjadi:

	............................................................	8-3

dengan hf = koefisien konveksi udara (W/m2K)
Ap = luas pipa antara sirip (m2)
Ae = luas sirip (m2)
η = efektifitas sirip
efektifitas sirip bar dihitung dengan persamaan:

	............................................................	8-4

	............................................................	8-5

dengan L = panjang sirip (m)
k = konduktifitas bahan sirip (W/m)
y = setengah dari tebal sirip (m)
atau menggunakan grafik di bawah. Grafik di bawah digunakan untuk sirip lingkaran. Pada sirip persegi, luasan sirip persegi diubah menjadi luasan srip lingkaran untuk mendapatkan diameter sirip.

• Contoh soal: berapakah efektifitas sirip pada sirip persegi yang terbuat dari alumunium setebal 0.3 mm yang disisipkan pada pipa dengan berdiameter luar 16 mm jika jarak vertikalnyanya 50 mm dan jarak horizontalnya 40 mm. Koefisien pindah panas udara 65 W/m2K, dan konduktifitas alumunium 202 W/mK.
• Jawab: sirip persegi ini mempunyai luas area yang sama dengan sirip lingkaran berdiameter 50,4 mm. Setengah tebal dari sirip, y = 0.15 mm.

46.3 m-1

(re - ri)M = (0.0252-0.008)(46.3) = 0.8
dari grafik diketahui, untuk (re - ri)M = 0.8 dan (re - ri) = 25.2/8 =3.15, efektifitas sirip adalah 0.72

B. Kondensor

Berdasarkan zat pendingin yang digunakan, kondensor dibedakan menjadi kondensor berpendingin udara dan air. Sedangkan menurut konstruksinya, kondensor berpendingin air dibagi menjadi shell and tube, double pipe, dan shell and coil condensor. Pada kondensor udara, dibedakan menjadi kondenser dengan aliran udara paksa dan alami. Di bawah adalah gambar beberapa jenis kondensor.

Gambar 8.1. Kondensor berpendingin udara

Gambar 8.2. Kondensor berpendingin air

Laju perpindahan panas pada kondensor adalah fungsi dari kapasitas refrigerasi dan suhu evaporasi serta suhu kondensasi. Kondensor harus dapat membuang panas yang diserap di evaporator dan yang ditambahkan di kompresor. Istilah yang umum digunakan untuk menunjukkan tingkat perpindahan panas dari kondenser ke evaporator adalah rasio pelepasan panas (heat rejection ratio) yang dihitung dengan persamaan:

	...............	8-6

namun rasio perpindahan panas ini kurang tepat karena tidak memperhitungkan kerja kompresi. Nilai rasio perpindahan panas ini juga dapat dihitung dengan bantuan grafik di bawah.

Pada kondensor, terjadi kondensasi pada uap yang mengembun di luar pipa. Koefisien kondensasi yang terjadi di luar pipa dihitung dengan persamaan:

	............................................................	8-7

dengan hct = koefisien kondensasi (W/m2K)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
ρ = rapat massa fluida (kg/m3)
hfg = kalor laten penguapan (J/kg)
μ = viskositas kondensat (Pa.detik)
Δt = perbedaan suhu antara kondensat dan pipa (K)
N = jumlah pipa dalam baris vertikal
D = diameter luar pipa (m)
saat kondensor berpendingin air telah digunakan selama beberapa waktu, akan terjadi pengendapan pada pipa karena adanya kotoran pada fluida yang mengalir. Pengendapan ini akan mengurangi proses pindah panas dan besarnya disebut

sebagai fouling factorBeberapa perusahan menetapkan fouling factor sebesar0.000176 m2K/W.Koefisien pindah panas keseluruhan ditulis ulang menjadi:

	............................................................	8-8

refrigeran berada dalam keadaan superheat, sebaran suhu digambarkan pada grafik dibawah. Karena perbedaan penurunan suhu ini, beda temperatur antara refrigeran dan pendingin dihitung dengan persamaan:

	............................................................	8-9

C. Evaporator

Pada banyak sistem pendinginan, refrigeran akan menguap di evaporator dan mendinginkan fluida yang melalui evaporator. Evaporator ini disebut sebagai direct-expansion evaporator. Berdasarkan zat yang didinginkan, evaporator dibedakan menjadi evaporator pendingin udara dan pendingin cairan. Berdasarkan konstruksinya, evaporator pendingin udara dibedakan menjadi plat, bare tube, dan finned evaporator. Evaporator plat biasa digunakan pada kulkas rumah. Evaporator pendingin udara ini umumnya digunakan untuk sistem pengkondisian udara (AC).

Gambar 8-3. Evaporator

Evaporator pendingin cairan umumnya digunakan untuk mendinginkan air, susu, jus, dan kegunaan industri lainnya. Jenis evaporator yang sering digunakan adalah evaporator bare-tube karena proses pengambilan panas terjadi langsung dari bahan ke ferigeran. Terdapat bebrapa tipe evaporator yang sering digunakan, seperti pipa ganda, Baudelot cooler, tipe tank, shell and coil cooler dan shell and tube cooler.

Contoh soal:

1. Tentukan luasan yang diperlukan bagi kondensasi R-22 dengan kapasitas 80 kW dengan pendingin udara. Suhu evaporasi 50C dan suhu kondensasi 450C. Air masuk pada suhu 300C dan keluar pada suhu 350C. Kondenser dengan 42 pipa akan digunakan dengan penempatan pipa seperto gambar. Tentukan panjang pipa jika diameter dalam dan luar pipa adalah 14 dan 16 mm.

• Jawaban: penyelesaian desain ini sebagai berikut: tentukan tingkat perpindahan panas yang diinginkan, koefisien pindah panas masing-masing dan keseluruhan, lalu hitung luasan dan panjang pipa yang dibutuhkan.
• Laju perpindahan panas, dari gambar 1, dengan asumsi menggunakan kompresor hermetik, tingkat perpindahan panas pada suhu kondensasi 450C dan suhu evaporasi 50C adalah 1.27. Laju perpindahan panas pada kondesor q adalah

koefisien kondensasi dihitung dengan persamaan (8-7)

densitas dan kalor laten penguapan pada 450C bisa dilihat pada tabel kalor laten penguapan.

konduktifitas dan viskositas dari refrigeran cair 450C dilihat dari tabel 5.5
k= 0.0779 W/m.K μ= 0.000180 Pa.s
jumlah rata-rata pipa pada baris vertikal adalah

beda suhu antara uap dan pipa belum diketahui, karenanya Δt diasumsikan 5K dan nilai ini diperbaiki jika nanti perlu;

= 1528 W/m2K

Tahanan logam. Konduktifitas tembaga adalah 390 W/mK dan resistansi pipa adalah

m2K/W

fouling factor

= 0.000176 m2K/W

koefisien pindah panas dari air. Laju aliran air yang dibutuhkan untuk menyerap panas dari kondensor dengan kenaikan suhu dari 300C menjadi 350C adalah

dan laju aliran volumenya adalah

kecepatan air melalui pipa V adalah

persamaan (2) dapat digunakan untuk menghitung koefisien pindah panas air dengan menggunkan sifat 320C.
ρ = 995 kg/m3 μ = 0.000773 Pa.det cp = 4190 J/kgK k = 0.617 W/mK

hw= 1.014(27030)0.8(5.25)0.4=6910 W/m2K

koefisien pindah panas keseluruhan

977 W/m2K

Beda temperatur logaritmik adalah

12.33 0C

Ao = 8.43 m2

Panjang pipa

Panjang = 4.0 m

2. Apabila sebuah pendingin mempunyai daya refrigerasi 1 kW, dengan pembuangan panas di kondensor 1,3 kW,

• Buatlah skema dari keseimbangan energinya
• Berapakah COP dari sistem pendingin tersebut

Test Formatip

1. Kondensor mesin pendingin dengan refrigeran R-22 yang beroperasi pada suhu kondensasi 34 oC, suhu evaporasi -20 oC menggunakan sistem penukar panas tubular aliran berlawanan dengan air sebagai zat pendingin.

• Jika suhu air yang masuk adalah 25 oC dan laju aliran air 2 kg/det, tentukan suhu air yang keluar dari penukar panas tersebut.
• Jika kondenser tersebut menggunakan pipa berdiameter luar (OD=14 mm), dan koefisien pindah panas total (U=800 W/m.K), tentukan panjang pipa kondensor yang diperlukan.
• Tentukan pada jarak berapa dari titik masuk kondensor tersebut keadaan refrigeran menjadi uap jenuh (x=1).

2. Tentukan total penurunan tekanan yang terjadi pada pipa kondensor jika viskositas R-22 (m=0.0001823 Pa.s) tetap disepanjang pipa, volume jenis (n) dihitung pada keadaan rata-rata, dan factor friksi (f) dapat dihitung dengan persamaan di bawah, tentukan panjang pipa kapiler yang diperlukan.

3. Penukar panas tipe tubular bekerja dengan aliran berlawanan mempunyai nilai koefisien pindah panas keseluruhan (Uo = 2 kW/m2.K). Fluida 1 masuk pada suhu 60oC, dan fluida 2 masuk pada suhu 20oC. Laju aliran fluida 1 dan 2 masing-masing adalah 0.3 kg/s dan 0.4 kg/s. Panas jenis (Cp) fluida 1 dan 2 masing-masing adalah 3.2 kJ/kg.K dan 4.19 kJ/kg.K. Tentukan suhu fluida 2 yang keluar dari penukar panas tersebut jika panjangnya adalah 2 m.

4. Sebuah sistem pendingin dengan siklus kompresi uap standar yang menggunakan refrigeran R134a diketahui beroperasi pada suhu kondensasi 35.51oC dan suhu evaporasi -20 oC. Untuk mendapatkan kapasitas pendinginan sebesar 1 ton refrigerasi (3517 W), dan diasumsikan bahwa kompresor bekerja secara isentropis. Kondensor mesin pendingin tersebut didinginkan dengan menggunakan penukar panas pipa ganda (double pipe heat exchanger) aliran berlawanan. Jika fluida pendingin yang dipakai adalah air (Cp=4.2 kJ/kg-K) dengan laju aliran sebesar 1 kg/detik,

• tentukan suhu air yang keluar apabila suhu inlet air 25oC
• gunakan definisi keefektifan (effectiveness) untuk mencari nilai keefektifan penukar panas

5. Satu mesin pendingin dapat digunakan pada tiga ruangan (dengan tiga evaporator) secara paralel seperti pada gambar berikut.

• Gambarkan proses pendinginan tersebut pada diagram molier (p-h)
• Jika ketiga evaporator tersebut digunakan secara seri, gambarkan proses pendinginannya pada diagam molier.
• Jelaskan dengan contoh perhitungan apakah COP mesin pendingin dengan rangkaian evaporator paralel lebih baik dari pada seri.