bab ii dasar teori

 BAB II
DASAR TEORI
2.1
Pasteurisasi
Pasteurisasi ialah proses pemanasan bahan makanan, biasanya berbentuk
cairan dengan temperatur dan waktu tertentu dan kemudian langsung didinginkan
secepatnya. Proses pengolahan susu pasteurisasi bertujuan untuk :
1) Memperoleh produk susu yang memiliki kualitas dan nilai gizi tinggi.
2) Memperpanjang daya simpan produk.
3) Meningkatkan nilai tukar secara ekonomis dan daya guna bahan mentah.
Proses pasteurisasi hampir tidak menyebabkan perubahan flavor dan
komposisi produk. Menurut Gaman dan Sherrington [1], pasteurisasi dapat
dilakukan dengan dua cara yaitu:
1) “Holding Method” susu dipanaskan pada 620C sampai 680C selama 30
menit lalu didinginkan dengan temperatur 40C.
2) HTST (High Temperatur Short Time), susu dipanaskan pada temperatur
700C sampai 720C selama 15 detik lalu didinginkan pada temperatur 40C.
Mesin pasteurisasi perlu didukung mesin refrigerasi, karena setelah proses
pasteurisasi susu harus sesegera mungkin didinginkan, dan disimpan pada
penyimpanan susu yang telah dikondisikan temperaturnya.
2.2
Sistem Pasteurisasi HTST dan Pemanfaatan Panas Kondensor
Pasteurisasi adalah suatu proses meningkatkan temperatur susu dibawah
1000C dan dalam jangka waktu tertentu agar dapat mematikan sebagian mikroba
susu. Proses pasteurisasi yang dilanjutkan dengan pendinginan akan menghambat
pertumbuhan mikroba yang dapat merusak sistem ensimatis pada susu, sehingga
dapat mengurangi kerusakan zat gizi serta memperpanjang daya simpan susu.
Penulis menggunakan electric heater untuk pasteurisasi yang lebih murah
dan efisien. Dalam proses pasteurisasi penulis menggunakan HTST. Selain itu,
4
pemanfaatan panas kondensor digunakan untuk preheat susu dan dapat
mengurangi beban kerja electric heater sehingga konsumsi daya listrik kecil.
2.3
Heat Exchanger
Heat Exchanger adalah alat yang digunakan untuk menukar panas antara
dua fluida yang berbeda temperaturnya. Pertukaran panas mengalir dari fluida
bertemperatur tinggi ke fluida bertemperatur rendah. Banyak jenis penukar panas
yang digunakan dalam sistem refrigerasi dan tata udara. Menurut Arthur P. Fraas
[3], Heat exchanger jika dilihat dari alirannya dibagi menjadi 2 kategori, yaitu:

Parallel flow (aliran searah)
Jenis aliran parallel flow yaitu aliran masuk fluida pertama searah dengan
aliran fluida kedua. Kelebihan dari heat exchanger dengan aliran paralel yaitu
temperatur keluaran dari kedua fluida bisa hampir sama.

Counter flow (aliran lawan arah)
Jenis aliran counter flow yaitu aliran masuk fluida pertama berlawanan arah
dengan aliran fluida kedua. Kelebihan dari heat exchanger dengan aliran lawan
arah (counter flow) yaitu temperatur disetiap masing-masing dinding pipa heat
exchanger hampir sama, selain itu keuntungan dari aliran lawan arah yaitu
temperatur keluaran dari fluida dingin dapat mendekati temperatur fluida panas.
Jika desain dari kedua kategori sama, heat exchanger dengan aliran lawan
arah dapat mentransfer energi lebih besar dari desain dengan aliran paralel karena
temperatur keluar fluida dingin bisa mendekati suhu tertinggi fluida panas.
Penukar panas aliran paralel mengalami lebih banyak stres termal karena
perbedaan suhu yang ekstrim pada masukan heat exchanger. Penukar panas
paralel paling cocok ketika tujuannya adalah untuk mencapai temperatur yang
sama pada masing-masing fluida.
5
Gambar 2.1 Tipe aliran heat exchanger [3]
2.4
Sistem Refrigerasi
Sistem refrigerasi yang dipakai pada penyimpanan susu hasil pasteurisasi ini
merupakan sistem refrigerasi kompresi uap biasa seperti halnya pada lemari es
dimana terdapat kompresor, kondensor, alat ekspansi dan evaporator serta
komponen pendukung lainya, yang membedakan hanya temperatur kerjanya saja.
Sistem refrigerasi kompresi uap merupakan salah satu sistem refrigerasi
mekanik yang saat ini merupakan sistem yang paling banyak dipakai karena
dipandang secara komersial harganya terjangkau masyarakat menengah dan
komponen yang digunakan sederhana dibandingkan sistem refrigerasi lainnya.
Sistem refrigerasi kompresi uap ini merupakan sistem yang menggunakan
kompresor sebagai alat pemompa refrigeran, yang mana uap refrigeran bertekanan
rendah yang masuk pada sisi penghisap (suction) kemudian uap refrigeran
tersebut ditekan didalam kompresor sehingga berubah menjadi uap bertekanan
tinggi yang dikeluarkan pada sisi keluaran (discharge). Sehingga dari proses
tersebut dapat ditentukan sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah.
6
Siklus refrigerasi kompresi uap merupakan suatu sistem yang memanfaatan
aliran perpindahan panas melalui refrigeran. Komponen penyusun dari sistem
refrigerasi yang dipraktekkan pada laboratorium refrigerasi terbagi dalam dua
kelompok
yaitu:
1. Komponen utama yang terdiri dari:

Kompresor

Kondensor

Evaporator

Katup ekspansi
2. Komponen pendukung yang terdiri dari:

Komponen pendukung mekanik

Komponen pendukung kelistrikan yaitu komponen yang digunakan
sebagai kontrol sistem refrigerasi.
Proses termodinamika yang terjadi pada sistem refrigerasi kompresi uap
dapat digambarkan atau pengeplotan pada suatu diagram tekanan-entalpi yang
dikenal dengan nama diagram Mollier. [2]
Gambar 2.2 Diagram Mollier
7
Keterangan:

Proses kompresi 1-2: terjadi proses kompresi uap secara isentropik di
kompresor, sehingga tekanan dan temperatur uap refrigeran naik.
 Proses kondensasi 2-3: terjadi proses kondensasi secara isobar di kondensor,
sehingga terjadi pelepasan panas ke lingkungan yang mengakibatkan
refrigeran berubah fasa menjadi cairan bertekanan tinggi.
Proses ekspansi 3-4: terjadi proses secara iso-entalpi di pipa kapiler,

sehingga tekanan dan temperatur refrigeran turun.
 Proses evaporasi 4-1: terjadi proses evaporasi secara isobar di evaporator,
sehingga terjadi penyerapan panas oleh refrigeran dan terjadi perubahan fasa
dari cair bertekanan rendah menjadi uap bertekanan rendah.
2.5
Perhitungan Beban
Dalam rancang bangun sistem pasteurisasi perlu dilakukan perhitungan
beban pendinginan yang harus ditangani untuk menentukan kapasitas pemanas
yang dibutuhkan. Dalam sistem pesteurisasi beban pemanas dikelompokkan ke
dalam tiga jenis sumber beban. Beban total diperoleh dengan menjumlahkan
beban yang ada dari ketiga jenis sumber beban tersebut.
Jenis sumber beban:

Beban kalor melalui dinding

Beban produk

Beban peralatan
2.5.1 Beban Kalor Melalui Dinding
Beban kalor melalui dinding adalah banyaknya kalor yang masuk ke ruang
pemanas. Karena adanya perbedaan temperatur antara lingkungan dengan yang
akan dipanaskan. Beban kalor melalui dinding didapat dengan persamaan:[4]
QD = U A ΔT ............................................... (2-1)
8
Dimana,
QD = Beban panas melalui dinding (Watt)
A
= Luas permukaan dinding (m2)
U = Koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m2K)
ΔT = Perbedaan temperatur melalui dinding (K)
2.5.2 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh (U)
Nilai U tergantung pada:

Ketebalan bahan dinding

Jenis bahan

Kondisi permukaan (kecepatan udara)
Untuk suatu bidang yang terdiri dari beberapa jenis material, maka besarnya
harga U dapat dihitung dengan persamaan:[4]
.............................. (2-2)
Dimana,
xn = Tebal lapisan ke-n (m)
kn = Konduktivitas bahan ke-n (W/mK)
fo = Koefisien konveksi permukaan luar (W/m2K)
fi = Koefisien konveksi permukaan dalam (W/m2K)
2.5.3 Beban Produk
Produk yang digunakan pada mesin pasteurisasi yaitu susu. Besarnya beban
panas dari produk dapat diketahui dengan perhitungan menggunakan persamaan
sebagai berikut: [2]
........................................... (2-3)
Dimana,
Q = Beban produk (kW)
m = Massa produk (kg)
9
Cp = Panas spesifik produk (kJ/kg.K)
ΔT = Beda temperatur sebelum dan sesudah pendinginan (K)
n
= Waktu yang dibutuhkan untuk mencapai temperatur akhir (jam)
2.5.4 Beban Peralatan
 Beban Panas Agitator
Pada mesin pasteurisasi dibutuhkan pengaduk (agitator) supaya susu yang
dipanaskan tidak rusak dan supaya proses pemanasan cepat tercapai. Pengaduk
yang digunakan berpenggerak motor listrik. Untuk mengetahui beban panas dari
agitator digunakan persamaan: [1]
........................................... (2-4)
Dimana,
Qagitator = Beban panas agitator (kW)
Po = Daya motor agitator (kW)
Fm = Faktor pengali
tm = Waktu lamanya motor beroperasi dalam satu hari (jam)
Faktor pengali motor ditentukan dari Tabel 2.1
Tabel 2.1 Ekuivalen panas dari motor listrik[2]
Multiplying Factor
Motor rating
kilowatt
output
0.1-0.5
0.5-2.0
2.0-15.0
2.6
Motor
efficiency
%
33.3
55.0
85.0
Connected
Load in Refr.
Space
1.67
1.45
1.15
Motor Losses
Outside Refr.
Space
1.0
1.0
1.0
Conncted
Load Outside
Refr.
Space
0.67
0.45
0.15
Pemanfaatan Panas Kondensor
Panas yang dimanfaatkan sebagai preheat adalah panas pada keluaran
kompresor (discharge).
10
b
a
Gambar 2.3 Pemanfaatan panas kondensor pada diagram P-h
Diasumsikan keluaran kondensor tube in tube berada di titik b (Gambar
2.3), tetapi pada kenyataannya temperatur keluaran tube in tube bisa lebih atau
kurang dari temperatur pada titik b. Panas yang dibuang oleh tube in tube untuk
setiap satu satuan massa refrigeran.[2]
qhx = ha - hb ................................................... (2-5)
Dimana,
qhx = Panas yang dibuang di tube in tube (kJ/kg)
ha = entalpi refrigeran di titik a (di masukan tube in tube)
hb = entalpi refrigeran di titik b (di keluaran tube in tube)
2.7
Kapasitas Pemanasan Tube In Tube
Di dalam tube in tube, refrigeran akan melepas sejumlah panas dan panas
tersebut akan diserap oleh susu, ditulis dengan persamaan sebagai berikut: [2]
QHX = ṁ . qhx ............................................... (2-6)
Dimana,
ṁref
= Laju aliran refrigeran (kg/s)
qhx
= Panas yang dibuang di tube in tube (kJ/kg)
2.8
Perhitungan Panjang Tube In Tube
Proses perpidahan panas pada tube in tube adalah perpindahan panas antara
susu, pipa, dan refrigeran. Proses perpindahan panas pada tube in tube
digambarkan pada Gambar 2.4.
11
Gambar 2.4 Proses perpindahan panas pada tube in tube
Proses perpindahan panas pada tube in tube terdapat dua proses yaitu dari
refrigeran
ke lingkungan dan dari refrigeran ke susu. Gambar 2.5 dan Gambar 2.6
menganalogikan
aliran perpindahan panas pada tube in tube.
Gambar 2.5 Analogi listrik perpindahan panas dari refrigeran ke lingkungan
Analogi perpindahan panas dari refrigeran ke lingkungan dijelaskan pada
Gambar 2.5. Dimana:
Tin1
: Temperatur refrigeran.
Rk.i1
: Tahanan konveksi dari refrigeran ke permukaan pipa tembaga bagian
dalam.
Rkd.1
: Tahanan konduksi pada pipa tembaga.
Rk.o1
: Tahanan konveksi dari permukaan pipa tembaga bagian luar ke
lingkungan.
Tout1
: Temperatur lingkungan.
Karena temperatur refrigeran lebih tinggi dari temperatur lingkungan maka
panas refrigeran akan terserap oleh lingkungan. Panas dari refrigeran berpindah ke
permukaan pipa tembaga bagian dalam secara konveksi, kemudian dari
permukaan pipa tembaga bagian dalam ke permukaan pipa tembaga bagian luar
secara konduksi, dan dari permukaan pipa tembaga bagian luar ke lingkungan
secara konveksi.
12
Analogi perpindahan panas dari refrigeran ke susu dijelaskan pada Gambar
2.6. Dimana:
Tin1
: Temperatur refrigeran.
Rk.o2
: Tahanan konveksi dari refrigeran ke permukaan pipa stainless steel
Gambar 2.6 Analogi listrik perpindahan panas dari refrigeran ke susu
bagian luar.
Rkd.2
: Tahanan konduksi pada pipa stainless steel.
Rk.i2
: Tahanan konveksi dari permukaan pipa stainless steel bagian dalam ke
susu.
Tin2
: Temperatur susu.
Karena temperatur refrigeran lebih tinggi dari temperatur susu maka panas
refrigeran akan terserap oleh susu. Panas dari refrigeran berpindah ke permukaan
pipa stainless steel bagian luar secara konveksi, kemudian dari permukaan pipa
stainless steel bagian luar ke permukaan pipa stainless steel bagian dalam secara
konduksi, dan dari permukaan pipa stainless steel bagian dalam ke susu secara
konveksi.
Persamaan-persamaan yang digunakan untuk menghitung panjang pipa tube
in tube adalah persamaan untuk perpindahan panas jenis konveksi bebas dan
konveksi paksa. Diketahui data sebagai berikut untuk menghitung panjang pipa
tube in tube:
ρ
= massa jenis fluida (kg/m3)
μ
= Viskositas fluida (kg/m.s)
Cp = Panas spesifik fluida (kJ/kg.K)
k
= Konduktivitas termal fluida (W/m.K)
13
Pertama-tama dicari jenis aliran di dalam pipa apakah laminar atau turbulen
digunakan persamaan Reynolds. Persamaan Reynolds tidak berdimensi karena
semua sifat-sifat yang digunakan dengan satuan yang konsisten. Pada kondensor
tube in tube terdapat dua persamaan untuk mencari nilai Reynolds, yaitu:[4]

Nilai Reynolds dalam tabung
Re =
................................................... (2-7)
Re =
................................................ (2-8)
Dimana,
Re = Bilangan Reynolds
ρ = Massa jenis fluida (kg/m3)
v = Kecepatan aliran (m/s)
d = Diameter pipa (m)
μ = Viskositas fluida (kg/m.s)

Nilai Reynolds annular
Dimana,
Re = Bilangan Reynolds
ρ = Massa jenis fluida (kg/m3)
v = Kecepatan aliran (m/s)
DH = Diameter hidrolik (m)
μ = Viskositas fluida (kg/m.s)
Suatu aliran bisa dikatakan laminar jika Re < 2300 dan jika nilai Re > 2300
biasanya aliran tersebut adalah turbulen. Setelah diketahui bilangan Reynolds,
selanjutnya menghitung nilai Prandtl. Angka Prandtl adalah perbandingan antara
viskositas kinematik dengan difusivitas termal.[4]
Pr =
.................................................. (2-9)
14
Dimana,
Pr = Bilangan Prandtl
Cp = Panas spesifik fluida (kJ/kg.K)
μ = Viskositas fluida (kg/m.s)
k = Konduktivitas termal fluida (W/m.K)
Berdasarkan bilangan Reynolds dan Prandtl yang telah diketahui,
selanjutnya menghitung bilangan Nusselt dengan persamaan: [4]
Nu = 0,023x(Re)0,8x(Pr)n ................................ (2-10)
Nilai
eksponen n adalah sebagai berikut:
n = 0,4 untuk pemanasan
n = 0,3 untuk pendinginan
Dari bilangan Nusselt yang diperoleh maka harga koefisien perpindahan
panas konveksi dapat dihitung dengan persamaan: [4]
h=
................................................... (2-11)
Dimana,
h = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2K)
Nu = Bilangan Nusselt
k = Konduktivitas termal (W/mK)
d = Diameter pipa (m)
Berdasarkan koefisien perpindahan panas konveksi yang telah diketahui,
maka nilai perpindahan panas menyeluruh dapat dihitung dengan persamaan : [4]
U=
(
)
.................................... (2-12)
Dimana,
U = Koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m2K)
hi = Koefisien perpindahan panas konveksi bagian dalam (W/m2K)
ho = Koefisien perpindahan panas konveksi bagian luar (W/m2K)
15
k = Konduktivitas termal (W/mK)
ro = Jari-jari luar pipa (m)
ri = Jari-jari dalam pipa (m)
Dengan diketahui jumlah perpindahan panas menyeluruh dari tube in tube,
dapat dihitung kapasitas panas refrigeran yang terserap dengan persamaan:
maka
QTNT = U x A x LMTD ..................................... (2-13)
Dimana,
U
= Koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m2K)
QTNT = Kapasitas panas dari tube in tube (kW)
A
= Luas penampang kondensor tube in tube (m)
Beda temperatur LMTD disebut beda suhu rata-rata logaritma. Persamaan
dari LMTD adalah sebaga berikut:
....... (2-14)
LMTD=
Setelah diketahui kapasitas panas refrigeran yang terserap, maka diperoleh
panjang pipa dengan persamaan:
L=
.......................................... (2-16)
Dimana,
Qref = kapasitas pelepasan kalor refrigeran (Watt)
L
= Panjang pipa (m)
U
= Koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m2K)
D
= Diameter luar pipa susu (m)
16