Sistem Vakum Frying

PROSIDING
SEMINAR NASIONAL REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2004
ISSN : 1411 - 4216
PENGEMBANGAN SISTEM “VACUM FRYING” MENGGUNAKAN
UAP SEBAGAI TENAGA PEMBANGKIT VAKUM
Halomoan P. Siregar
UPT-Balai Pengembangan Teknologi Tepat Guna – LIPI
Jl. Ks. Tubun 5 Subang 41213, Telp. (0260) 411478, Fax. 411239
E-mail : [email protected]
Abstrak
Dirancang suatu sistem penggorengan vakum untuk industri kecil menengah dimana sistem
pembangkitan vakum menggunakan tenaga uap dari ketel uap (boiler) melalui mekanisme
ejektor. Komponen utama dalam sistem proses penggorengan vakum adalah komponen
pembangkit vakum, yang biasanya banyak menggunakan pompa vakum dimana unit komponen
pompa ini dapat dikatakan relatif mahal dan memerlukan pemeliharaan khusus agar dapat
beroperasi dalam kinerja prima. Dalam industri makanan secara umum, biasanya fasilitas
unit boiler sudah terdapat pada sistem peralatan proses produksi sebagai sarana menghasilkan
uap untuk energi proses seperti untuk merebus, memasak dan lain sebagainya, sehingga dalam
kerangka pengembangan diversifikasi produk, misalnya produk keripik buah-buah-an maupun
produk sejenis yang memerlukan proses penggorengan, dapat dikembangkan lebih ekonomis
bila menggunakan sistem uap yang tersedia.
Untuk pengembangan peralatan dan proses berdasarkan data pengujian yang sudah dilakukan
pada sistem pompa vakum sebelumnya, maka dirancang kondisi vakum suatu unit peralatan
proses penggorengan vakum kurang lebih 70 – 80 cmHg dan kapasitas bahan gorengan (buah
nangka) 10 kg,.
Dalam tulisan ini akan dibahas rancangan sistem pembangkit vakum menggunakan uap,
rancangan mekanisme ejektor, aspek kebutuhan energi uap, tekno-ekonomi konstruksi
peralatan proses.
Kata Kunci : Aspek Ekonomi; Ejektor; Energi Uap; Industri Kecil Menengah; Proses
Penggorengan; Rancangan; Sistem Pembangkit Vakum
Pendahuluan
Sistem peralatan dan proses penggorengan vakum telah mulai banyak dikembangkan untuk
menghasilkan produk dengan kualitas cukup baik apabila dibandingkan dengan hasil sistem penggorengan
konvensional baik dari segi penampakan produk maupun dari segi cita rasa asli relatif masih seperti buah
asli.
Sistem vakum yang berkembang adalah dari sistem mekanik menggunakan pompa vakum. Pompa
vakum merupakan “jantung” dari sistem peralatan unit penggorengan vakum dan relatif mahal serta
memerlukan pemeliharaan khusus agar dapat beroperasi dengan baik.
Industri pengolahan makanan tradisional banyak berkembang di Jawa Barat seperti di wilayah
Sukabuni, Cianjur, Garut dan di Jawa Tengah seperti di Purwokerto, Yogyakarta dan lainnya, maka untuk
tujuan diverifikasi produk yang telah ada, potensi pengembanan jenis proses sistem vakum ini cukup baik
karena dapat menghasilkan produk makanan gorengan khususnya produk buah-buahan dengan kualitas baik.
Sebagian dari industri ini sudah menggunakan unit boiler dalam proses pengolahannya. Umumnya industri
makanan menggunakan uap untuk proses pemasakan, perebusan dan lain sebagainya. Oleh karena itu
pengembangan sistem vakum dengan menggunakan tenaga uap akan dimungkinkan, karena investasi
peralatan hanya pada sistem pembangkitan vakum saja.
Dalam tulisan ini akan dipaparkan rancangan sistem vakum menggunakan tenaga uap. Tenaga uap
yang diperlukan dalam sistem pembangkitan vakum ini adalah pada tekanan uap 2,0 bar. Pembangkitan
kondisi vakum pada kisaran 50 – 80 cm Hg dan kapasitas penggorengan 10 kg buah nangka. Mekanisme
pembangkitan vakum menggunakan komponen unit ejektor merupakan komponen utama dalam rancangan
ini akan dibahas demikian juga aspek penggunaan energi uap dan tekno-ekonomi peralatan dan proses.
Bahan dan Metode
Rancangan Sistem Peralatan Vakum Dengan Mekanisme Ejektor
Tabung penggorengan dimana bahan buah nangka akan digoreng diletakkan dalam suatu keranjang
tabung berlobang setengah silinder membujur. Keranjang bahan dapat dibenam dalam genangan minyak
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
C-5-1
goreng dan dapat diangkat melalui fasilitas engkol pada waktu pengambilan produk setelah matang. Pada
unit tabung ini akan dihubungkan dengan sistem pembangkit vakum dengan mekanisme ejektor (gambar 1).
6
10
8
2
4
5
1
3
9
7
Gambar 1. Skema susunan sistem peralatan “vacum frying” tenaga uap
Keterangan gambar :
1. Tangki tabung penggorengan
2. Kotak panel “vacum frying”
3. Unit Boiler ( Siregar H.P., 2002)
4. Kotak panel boiler
5. Unit Burner
6. Difuser
7. Tabung gas elpiji
8. Pipa keluaran uap
9. Keranjang bahan gorengan
10.Nosel Konvergen
Gambar 2. Foto konstruksi unit ejektor
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
C-5-2
a)
b)
Gambar 3. a). Profil diagram tekanan dan kecepatan uap penggerak,
suction terhadap fluida uap dari tabung minyak goreng.
b). Diagram Mollier digunakan untuk mencari besaran
setiap posisi titik proses.
Unit ejektor uap (steam jet ejector) mempunyai 4 komponen dasar (gambar 3a) yaitu : komponen
flens uap, nosel, ruang pencampuran dan difuser. Diagram pada gambar 3a, meng-ilustrasikan operasi dasar
ejektor. Tekanan uap dari boiler masuk pada sisi 1 dan diekspansikan melalui nosel konvergen pada posisi 2;
fluida terisap pada posisi 3 dan bercampur dengan uap penggerak dari boiler pada ruang pencampuran 4;
kemudian dikompress melalui difuser 5.
Ejector uap dirancang untuk mengkonversikan energi tekanan (pressure energy) dari uap penggerak
menjadi energi kecepatan (velocity energy) untuk memberikan efek hisapan (suction) pada fluida yang akan
disedot dan kemudian dikompress kembali untuk mengkonversikan energi kecepatan menjadi energi tekanan.
Perubahan pressure head menjadi velocity head adalah sebagai dasar dari prinsip vakum jet.
Apabila beberapa data besaran variabel dapat diketahui seperti tekanan uap penggerak dari boiler
diekspansikan pada tekanan tertentu (ditentukan), maka besaaran variabel lainnya dapat dicari dengan
menggunakan diagram Mollier (gambar 3a).
Data Masukan dan Pendekatan Rumusan Matematik
Ditentukan tekanan uap boiler 2 -3 bar diekspansikan melalui nosel konvergen. Dengan pendekatan
rumusan matematik berikut diperoleh kecepatan keluar nosel konvergen Ve atau V2,
V = 91,5 he − h1
e
1)
Angka konstanta 91,5 dipakai apabila satuan entalpi Kcal/kg dan satuan kecepatan m/detik. Apabila
satuan entalpi adalah KJ/kg dan kecepatan m/detik maka angka konstanta 44,7.
Untuk mendapatkan kecepatan aktual uap keluar nosel, faktor koefisien kecepatan (ϕ) harus
dimasukkan dengan angka (0,91 – 0,98).
Persamaan untuk luasan penampang minimum nosel keluar (fmin) untuk kondisi uap jenuh dan
superheated dinyatakan dengan,
f
min
=
G
203 p1 / v1
(2)
(3)
Dan panjang bagian divergen difuser,
d −d
l = e min
2 tan α / 2
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
C-5-3
Dimana de dan dmin masing-masing diameter difuser pada sisi keluar uap dan leher, sedangkan sudut α adalah
sudut divergen difuser (6 – 12 0).
Prinsip konservasi momentum dan persamaan Bernoulli digunakan pada aliran fluida pada sistem
ejektor (gambar 3a),
M1V2 + M3V3 = (M1 + M3) V4
Head operasi :
Head discharge :
V2
2
2g
V4
2
2g
M
=
3
=
p − p
1
3
(5)
sp. gr .
1
p5 − p
3
(6)
sp. gr . 5
= M
 V2

1
 V4
(4)



− 1
(7)
Perbandingan head operasi dan head discharge = RH ,
RH =
Perbandingan M3 dan M1 = Rw,
( p1 − p 3 ) / sp. gr .1
( 8)
( p 5 − p ) / sp. gr . 5
3
Rw = RH − 1
pThroath = 0,577 p1
( 9)
(10)
Ditentukan kapasitas uap boiler masuk nosel 50 kg/jam = 0,014 kg/detik.
Hasil dan Pembahasan
Dari hasil perhitungan diperoleh,
Spesifikasi ejektor :
Diameter lobang nosel konvergen = 3 mm
Kapasitas laju uap 50 kg/jam
Kecepatan uap keluar nosel + 400 m/detik
Dimensi keranjang bahan = jari-jari 45 x 110 cm.
Laju uap melalui nosel diperhitungkan 50 kg/jam, dan apabila laju uap ini diperbesar maka laju
penguapan penggorengan juga akan meningkat. Kapasitas uap terpasang unit boiler 75 kg/jam, buatan UPTBPTTG-LIPI Subang.
Dari segi biaya investasi peralatan, maka penggunaan sistem vakum dengan uap akan lebih murah
apabila dibandingkan dengan yang menggunakan pompa vakum mekanik. Biaya investasi untuk peralatan
vakum menggunakan pompa vakum mencapai Rp 20 juta, sedangkan pada industri yang sudah menggunakan
boiler, hanya membutuhkan investasi tambahan peralatan ejektor dengan biaya dibawah harga Rp 5 juta.
Peralatan ejektor mudah dioperasikan, biaya pemeliharaan relatif kecil dan dapat dikonstruksi relatif mudah
dan murah walau mungkin hasil machining masih agak kasar. Bahan ejektor dapat dibuat dari bahan
kuningan.
Kesimpulan
Sistem vakum dengan menggunakan tenaga uap, dari segi ekonomi dan teknis lebih handal
dibanding dengan menggunakan pompa vakum. Biaya awal investasi rendah, tidak ada komponen
yang bergerak, operasi mudah/sederhana.
Kebutuhan uap relatif rendah sehingga membutuhkan unit boiler dengan kapasitas rendah antara 50
– 75 kg/jam uap.
Daftar Notasi
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
C-5-4
V1, 2,, e
v1
po, 1, 2
γ
G, M1, 2
a, f min
g
he, 1
d1, dmin
p1, 2,
sp.gr. 1, 2,
: kecepatan aliran fluida pada posisi 1, 2, e, m/detik
: spesifik volume, m3/kg
: tekanan fluida aliran, bar gauge; atm
: ratio spesific heat
: laju :massa aliran fluida, kg/detik
: luasan penampang nozzle atau pipa, cm2
: gravitasi bumi, m/detik2
: entalpi pada posisi e, 1, Kcal/kg, KJ/kg
: diameter nozzle pada posisi 1, leher, mm
: tekanan fluida pada posisi 1,2, .., bar
: specific gravity, kg/m3
Daftar Pustaka
Siregar H.P., (2003), Rancangan dan Konstruksi Sistem Pembangkit Energi Panas
Menggunakan Burner Secara Langsung Untuk Proses Pengeringan, Prosiding Seminar
Nasional dan Pameran Teknologi Teknik Mesin, Universitas Pasundan, Bandung.
Rudi Firyanto, Herri Susanto, (2001), “Perancangan Ejektor dengan Low Pressure Motive Fluid sebagai
Pengisap Gas Produser”, Prosiding Seminar Nasional Rekayasa Kimia dan Proses 2001, Jurusan Teknik
Kimia, Fakultas Teknik, UNDIP, Semarang.
Eugene A.Avallone,Theodore Baumeister III, (1997), Marks’Standard HandBook for Mechanical Engineers,
Mc Graw-Hill International Editions,Tenth Edition, New York, hal. 4-20 – 4-24.
Lewitt E.H., (1963), “Hydraulics and Fluid Mechanics”, ELBS and Sir Isaac Pitman & Sons Ltd., Tenth
Edition, London, hal. 347 – 704.
Molyneux F., (1963), “Chemical Plant Design – I”, Butterworths & Co. Ltd. London, hal. 6 –10.
Shlyakhin P., (……), “Steam Turbine”, Peace Publisher, Moscow, hal. 19 – 46.
Steam Ejector Pumps and Ejectors & Steam Ejectors Theory, http://www.croll.com/croll/pr/vetheory.asp,
P.O. Box 668 751 Central Avenue, Westfield, NJ 07091-0668 Tel.: 908-232-4200 Fax: 908-232-2146
Flow-Dyne Engineering, Inc., http://www.flow.dyne.com/nozzle.htm, Texas, USA.
LMNO Engineering, Research and Software Ltd., (2002-2003), “Small Bore Orifice Flowmeter Calculation
for Gas Flow”, http:// www.imnoeng.com/Flow/SmallOrificeGas.htm, Athens, Ohio-USA.
LMNO Engineering, Research and Software Ltd., (2002-2003), “Nozzle flowmeter”,
http://www.Imnoeng.com/nozzles.htm, Athens, Ohio-USA.
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
C-5-5