BAB X PENDINGINAN Pendinginan adalah suatu operasi dasar dalam pengolahan dan penyimpanan makanan. Pengambilan energi panas dapat melibatkan pindah panas dari satu fluida ke fluida yang lain atau dari suatu padatan ke suatu fluida, atau dapat disertai dengan penguapan air dari suatu bahan pada kondisi adiabatik. Pengetahuan prinsip-prinsip pindah panas adalah suatu saran yang sangat penting untuk pemahaman tentang proses perancangan dan proses operasi sistem pendinginan. Penjagaan temperatur yang lebih rendah dari lingkungan suatu system membutuhkan pemindahan panas dan pencegahan kebocoran panas melalui batas-batas system. Laju panas yang dipindahkan dari suatu system perlu dilakukan untuk menjaga temperatur dan hal ini merupakan beban dari pendinginan. Sistem pendinginan harus terukur untuk menangani beban pendinginan yang sesuai. Bila panas harus dipindahkan dari suatu system secara kontinyu, pada temperatur dibawah suhu lingkungan dan untuk waktu yang lama, suatu system pendinginan mekanik berperan : seperti pompa yang dapat membuang atau mengeluarkan panas pada temperatur rendah dan memindahkannya ke bagian lain dari system, dimana panas tersebut tentu saja didisipasi pada temperatur yang lebih tinggi. Pengoperasiannya membutuhkan energi, dan suatu system yang dirancang dengan baik memungkinkan pemindahan panas maksimal pada biaya energi yang minimal.
63
Embed
BAB X · Web viewPENDINGINAN Pendinginan adalah suatu operasi dasar dalam pengolahan dan penyimpanan makanan. Pengambilan energi panas dapat melibatkan pindah panas dari satu fluida
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
BAB XPENDINGINAN
Pendinginan adalah suatu operasi dasar dalam pengolahan dan penyimpanan
makanan. Pengambilan energi panas dapat melibatkan pindah panas dari satu fluida
ke fluida yang lain atau dari suatu padatan ke suatu fluida, atau dapat disertai dengan
penguapan air dari suatu bahan pada kondisi adiabatik. Pengetahuan prinsip-prinsip
pindah panas adalah suatu saran yang sangat penting untuk pemahaman tentang
proses perancangan dan proses operasi sistem pendinginan.
Penjagaan temperatur yang lebih rendah dari lingkungan suatu system
membutuhkan pemindahan panas dan pencegahan kebocoran panas melalui batas-
batas system. Laju panas yang dipindahkan dari suatu system perlu dilakukan untuk
menjaga temperatur dan hal ini merupakan beban dari pendinginan. Sistem
pendinginan harus terukur untuk menangani beban pendinginan yang sesuai. Bila
panas harus dipindahkan dari suatu system secara kontinyu, pada temperatur dibawah
suhu lingkungan dan untuk waktu yang lama, suatu system pendinginan mekanik
berperan : seperti pompa yang dapat membuang atau mengeluarkan panas pada
temperatur rendah dan memindahkannya ke bagian lain dari system, dimana panas
tersebut tentu saja didisipasi pada temperatur yang lebih tinggi. Pengoperasiannya
membutuhkan energi, dan suatu system yang dirancang dengan baik memungkinkan
pemindahan panas maksimal pada biaya energi yang minimal.
SYSTEM PENDINGINAN MEKANIK.
Prinsip Operasi. Hukum kedua Thermodinamika mengatakan bahwa panas
akan mengalir hanya dalam arah temperatur yang menurun. Dalam suatu system
dimana system harus dipertahankan pada suatu temperatur dibawah lingkungan, panas
harus dibuat untuk dapat mengalir dalam arah yang berlawanan. Suatu system
pendinginan dapat dipertimbangkan sebagai suatu pompa yang mana dapat
mengalirkan panas dari suatu daerah pada temperatur yang rendah kedaerah lain pada
temperatur yang tinggi.
Sisi temperatur rendah dari suatu system pendinginan dipertahankan pada
suatu temperatur yang lebih rendah dari temperatur system, pendinginan berlangsung
secara spontan panas mengalir kedalam system pendinginan. Sisi temperatur yang
tinggi harus mempunyai suatu temperatur yang lebih tinggi dari temperatur
lingkungan untuk memungkinkan disipasi dari panas yang diserap kesekeliling.
Dalam beberapa kasus, panas yang diserap ini digunakan sebagai sumber panas untuk
proses pemanasan.
Sisi-sisi temperatur rendah dan yang tinggi dapat dipertahankan dalam suatu
system pendinginan dengan penggunaan suatu fluida pendingin yang mana secara
terus menerus diresirkulasi melalui system. Temperatur penguapan atau kondensasi
adalah suatu fungsi tekanan mutlak. Dengan mengurangi tekanan, suatu temperatur
pendidihan/penguapan yang rendah dapat dilakukan, dengan membiarkan untuk
penyerapan panas dalam bentuk panas penguapan bahan pendingin sebagaimana
diuapkan pada temperatur dan tekanan yang rendah. Uap bila ditekan pada suatu
tekanan yang tinggi, uap akan berkondensasi pada temperatur yang tinggi, dan panas
yang diserap akan dilepaskan dari zat pendingin sebagaimana zat pendingin tersebut
berkondensasi kembali menjadi cairan pada temperatur dan tekanan yang tinggi.
Gambar 10.1 menunjukan tekanan uap vs temperatur dari zat pendingin yang umum
digunakan. Gambar tersebut juga mengilustrasikan bagaimana hubungan temperatur-
tekanan digunakan untuk pemanasan dan pendinginan.
Siklus Pendinginan. Gambar 10.2 menunjukan diagram skematik sistem mekanik
pendinginan. Pemanas Sistem adalah kompresor.
Ketika kompresor sedang beroperasi, bahan pendingin berbentuk gas dipompa
ke dalam kompresor secara kontinyu. Tekanan rendah dijaga pada sisi penghisap, dan
karena tekanannya yang rendah, bahan pendingin dapat menguap pada temperatur
rendah. Dalam kompresor, bahan pendingin dalam bentuk gas dimampatkan,
meningkatkan tekanan dan temperatur selama proses. Bahan pendingin dalam bentuk
gas yang panas kemudian mengalir ke dalam koil penukar panas (heat exchange) yang
disebut sebagai kondenser, dimana dalam proses kondensasi, panas dilepaskan pada
tekanan dan temperatur konstan. Dari kondenser bahan pendingin cair mengalir ke
dalam tangki penampung (holding tank) bahan pendingin cair. Dalam sistem yang
kecil mungkin tidak ada tangki penampung (holding tank) dan siklus bahan pendingin
melalui sistem berlangsung secara kontinyu.
Bila ada suatu permintaan untuk mendinginkan, bahan pendingin mengalir
dari tangki penampung (holding tank) ke bagian yang bertekanan rendah pada sistem
bahan pendingin melalui expansion valve. Penurunan tekanan yang terjadi ketika
bahan pendingin melalui expansion valve tidak merubah nilai panas dalam bahan
pendingin. Namun demikian, temperaturnya menurun menjadi temperatur titik didih
cairan pada tekanan rendah. Bahan pendingin cair yang dingin kemudian mengalir
kekoil penukar panas yang lain disebut sebagai evaporator dimana sistem
melaksanakan fungsinya sebagai pendingin dan panas diserap oleh bahan pendingin
dalam proses penguapan pada temperatur dan tekanan konstan. Dari Evaporator bahan
pendingin gas yang dingin ditarik ke bagian sisi pengisap kompresor, kemudian
menjadi suatu siklus tertutup yang lengkap.
Suatu sistem pendinginan pada umumnya dilengkapi dengan tombol cut-off
yang mana berfungsi untuk menginterupsi daya pada kompresor bila pengaturan titik
tekanan tinggi dilewati (ini terjadi jika kapasitas pendinginan pada kondensor tidak
cukup) atau tekanan turun di bawah titik pengaturan tekanan rendah (ini terjadi
manakala kompresor sedang bekerja tetapi permintaan pendingan sangat sedikit
dibanding kapasitas sistem pendinginan). Titik pengaturan pada tekanan rendah dapat
digunakan untuk mengontrol temperatur evaporator. Dalam sistem yang sama, bahan
pendingin dalam bentuk cair mengalir melalui katup expansi (expansion valve)
dikendalikan dalam keadaan panas yang tetap (thermostatically) dan diinterupsi
ketika temperatur evaporator lebih rendah daripada titik yang ditetapkan. Sebagai
tambahan, sistem pendinginan dilengkapi dengan alat pengatur panas (thermostat)
yang berfungsi untuk mengiterupsi daya ke kompresor ketika temperatur ruang yang
didinginkan mencapai nilai yang ditetapkan.
Sistem pendingin juga dapat digunakan untuk pemanasan. Suatu sistem yang
dapat mengubah-ubah tugas pemanasan dan pendinginan disebut sebagai pompa
pompa. Unit ini digunakan secara ekstensif untuk pemanasan atau pendinginan tempat
tinggal domestik dimana temperatur musim dingin tidak terlalu merepotkan. Dalam
unit ini, bahan pendingin pada tekanan rendah atau tekanan tinggi melewati koil
penukar panas (heat exchange) yang terdiri dari evaporator dan kondensor; jadi bisa
berfungsi sebagai koil pemanas atau pendingin, tergantung tugas yang diharapkan dari
sistem tersebut. Kemampuan pompa panas untuk melepaskan panas dengan tenaga
yang rendah digunakan hanya untuk memompa energi dari tempat bertemperatur
rendah ke tempat bertemperatur yang lebih tinggi
Gambar 10.1. Tekanan uap air bahan pendingin biasanya digunakan sebagai fungsi
temperatur
Panas tidak dihasilkan/diterima secara penuh dari masukan daya/tenaga yang
diberikan namun cenderung diterima dari sekitar udara yang lebih dingin. Efisiensi
pompa panas dalam merubah/memindahkan masukan tenaga menjadi panas bervariasi
secara terbalik dengan perbedaan temperatur antara medium dimana panas dilepaskan
dan sistem yang dipanaskan. Sistem pompa panas dapat digunakan sebagai alat
pengambil kembali energi sumber panas pada temperatur rendah untuk penggunaan
penerapan panas pada temperatur rendah seperti pada dehidrator.
Gambar 10.2 Diagram skematik sistem pendingin
Siklus Pendingin sebagai Proses Termodinamik Seri.
Mulai dari kompresor pada Gambar 10.2. gas dengan tekanan rendah
dimampatkan secara adiabatik ke tekanan tinggi, yang mana menyebabkan proses
kondensasi pada temperatur lingkungan. Kerja dibutuhkan untuk melakukan proses
ini, energi diberikan dalam bentuk listrik untuk menggerakkan motor pada kompresor.
Gas juga mendapatkan enthalpi selama proses kompresi tersebut. Dalam kondensor,
gas berkondensasi dan mentransfer panas laten hasil dari proses kondensasi
kelingkungan luar. Ada kehilangan enthalpi dalam suatu proses tekanan konstan. Pada
katub ekspansi (expansion valve), cairan mengembang ke tekanan yang lebih rendah
pada entalphi yang konstan, sementara di evaporator, cairan berevaporasi pada
tekanan konstan dan mendapatkan enthalpi. Dua proses yang rumit pada efisiensi dari
sistem pendingin adalah proses kompresi adiabatik dimana energi digunakan dan
proses ekspansi isobarik dimana energi diserap oleh bahan pendingin dari sistem.
Kerja dan perubahan enthalpi dalam suatu proses kompresi adiabatik telah diturunkan
dalam Bab 4 dalam sub-bagian ”Kerja dan Perubahan Enthalpi dalam Expansi
Adiabatik atau Kompresi dari suatu Gas Ideal” dan ” Kerja dan Perubahan Enthalpi
Pada Expansi atau Kompresi Isothermal dari suatu Gas Ideal”. Perbandingan
perubahan enthalpi untuk kerja dalam kompresi adiabatik dari suatu gas ideal sama
dengan perbandingan panas spesifiknya.
Tanda negatif menunjukkan bahwa energi digunakan dalam sistem.
Siklus Pendingin Pada Diagram Tekanan-Entalphi Untuk Suatu Bahan
Pendingin Yang Ditentukan.
Sifat-sifat termodinamika dari bahan pendingin ketika diplotkan pada diagram
tekanan-entalphi menghasilkan suatu gambar yang bermanfaat dalam menentukan
kapasitas dan kebutuhan tenaga untuk suatu sistem pendingin. Gambar 10.3
merupakan diagram skematis dari suatu siklus pendinginan pada diagram tekanan-
enthalpy.
Gambar 10.3. Siklus pendingin pada diagram tekanan-enthalpi
Diagram tersebut terdiri dari garis yang mewakili hubungan tekanan uap dan enthalpi
uap dan cairan, garis-garis yang mewakili perubahan entalphi dengan tekanan selama
proses kompresi adiabatik (entrophi konstan) dan dalam beberapa grafik, garis-garis
mewakili volume spesifik pada beragam tekanan dan enthalpi.
Titik A dalam Gambar 10.3 menunjukkan bahwa bahan pendingin dalam
bentuk cair pada tekanan tinggi masuk ke Katub expansi (expansion valve). Expansi
bahan pendingin terjadi pada enthalpi konstan (HL) melalui katub expansi (expansion
valve) dan meninggalkan valve dalam bentuk campuran cairan dan uap pada tekanan
yang lebih rendah,disajikan oleh titik B. Sebagai mana bahan pendingin menyerap
panas pada evaporator, bahan pendingin mendapatkan enthalpi, yang ditunjukkan oleh
garis BC. Bahan pendingin meninggalkan evaporator dalam bentuk uap jenuh
(ditunjukkan oleh titik C) yang mempunyai enthalpi Hcv. Kompresor meningkatkan
tekanan dari bahan pendingin, dan perubahan ditunjukkan oleh garis CD, yang mana
sejajar dengan garis entropi konstan. Sebagaimana bahan pendingin dalam bentuk gas
yang dikompresi meninggalkan kompresor pada titik D, memiliki enthalpi
ditunjukkan oleh Hhv. Pada kondensor panas dibuang, yang mana menurunkan nilai
enthalpi, ditunjukkan oleh garis AD. Bahan pendingin dalam bentuk cair
meninggalkan kondensor dengan tekanan dan entalpi yang ditunjukkan oleh titik A.
Kapasitas pendinginan sistem pendingin ditunjukkan oleh garis BC.
Kebutuhan penukar panas kondensor (heat exchange) atau beban kondensor
ditunjukkan oleh garis AD.
Panas yang dibuang oleh kondensor
Perubahan entalpi selama kompresi adalah:
(4)
Dari persamaan 1, kerja yang dibutuhkan untuk kompresi adalah:
Jika M merupakan masa bahan pendingin yang disirkulasi ulang melalui sistem per
unit waktu (kg/jam), kebutuhan tenaga/daya pada kompresor (P) dapat dihitung
dengan persamaan sebagai berikut:
Tanda negatif pada persamaan 6 menunjukkan bahwa kerja dikenakan atau
ditambahkan dalam sistem.
Efisiensi sistem pendingin juga digambarkan dalam bentuk koefisien kinerja
(COP = coeficient of performance) yang merupakan perbandingan kapasitas
pedinginan dengan kenaikan entalpi selama kompresi.
Kebutuhan tenaga (P) dapat ditulis ulang dalam bentuk koefisien kinerja
(COP) menggunakan persamaan 6 dan 7.
Kapasitas pendingin dinyatakan dalam ton pendinginan (refrigerasi), laju
penyerapan panas yang cukup untuk membekukan 1 ton (2000 lb) air dalam waktu 24
jam. Karena panas pencairan (lumer) air adalah 144 BTU/lb, laju penyerapan panas
adalah sama dengan 12.000 BTU/jam. Kapasitas pendinginan dalam ton refrigerasi
adalah:
Dengan mensubstitusikan persamaan 9 dalam persamaan 8:
Dengan mengexpresikan kebutuhan tenaga dalam horsepower (HP)/(ton)r:
Karena ada suatu tingkat slip tertentu dari bahan pendingin yang terjadi di
antara silinder dan piston, terutama pada tekanan tinggi dan juga karena beberapa
tahanan gesek yang terjadi antara piston dan silinder, kerja nyata (aktual) yang
dilakukan oleh motor listrik pada kompresor akan lebih tinggi dibandingkan dengan
yang dihitung menggunakan persamaan 10. Perbandingan antara kerja teoritis yang
dihitung dari persamaan 10 dan kerja aktual yang dilakukan merupakan efisiensi
kompresi. Efisiensi kompresi bergantung pada perbandingan tekanan tinggi-tekanan
rendah dan akan didiskusikan lebih lanjut dalam ”Beban Pendinginan”. Diagram
tekanan-entalpi untuk amonia, freon 12 dan freon 22 ditunjukkan dalam Gambar 10.4,
10.5 dan 10.6
Gambar 10.4 Diagram tekanan-entalpi untuk bahan pendingin 717 (NH3). (diambil dari ASHARE Guide and Data Book, Fundamental and Equipment, 1965)
Contoh Masalah Dalam Penggunaan Tabel Bahan Pendingin
Contoh 1: Sebuah ruang didinginkan dijaga pada suhu 40oF (4,44oC) dan kelembaban
relative udara 90%. Bahan-bahan yang disimpan dalam ruangan tersebut
menghasilkan uap, dengan demikian perlu mengurangi kadar air yang ada diudara
untuk menjaga kelembaban udara yang diinginkan. Dengan mengasumsikan bahwa
udara yang mengalir di koil evaporator adalah sama dengan temperatur rata-rata koil
mencapai 2oF (-16.67oC), tentukan tekanan sisi rendah untuk sistem pendingin dengan
bahan pendingin ammonia sehingga kelembaban relatif yang diharapkan akan dapat
dipertahankan.
Gambar 10.5 Diagram tekanan-enthalpi untuk freon 12 (CCl2F2). (Courtesy of E. I Du Pont de Nemours. Inc)
Pemecahan: Dari tabel psikometrik, titik embun udara pada suhu 40oF dan pada
kelembaban relatif 90% adalah sebesar 33oF (0.56oC). Ketika suhu udara ruangan
diturunkan menjadi 33OF (0.56 OC) dengan melewati koil evaporator, kelebihan kadar
air yang ada terhadap kelembaban udara jenuh pada temperatur ini akan mengalami
kondensasi. Jika aliran udara yang melalui koil cukup untuk memindahkan kadar air
melalui kondensasi sama dengan laju penguapan kadar air kedalam udara. Temperatur
koil harus 31OF (-0.56 OC). Dari Gambar 10.1 untuk ammonia, tekanan yang sesuai
dengan temperatur 31OF 65 psi (446 kPa absolut) .
Contoh 2. Suatu pompa panas diusulkan sebagai alat pemanas suatu pengering
kabinet. Udara di-recycle secara kontinu melalui sistem, melintasi koil kondenser
terhadap udara yang masuk ruang pengering, dimana ruang tersebut dipanaskan.
Sebelum di-recycle, udara panas, lembab yang meninggalkan kamar pengering
melalui koil evaporator, dimana kelembaban dihilangkan dengan proses kondensasi.
Udara masuk ke ruang pengering adalah pada temperature 140 OF (60 OC) dan dengan
kelembaban relatif udara 4%. Dengan mengasumsikan bahwa rancangan koil
evaporator dan kondensor dan aliran udara adalah rancangan untuk temperatur udara
yang mencapai 5 OF (2.78 OC) pada koil evaporator, dan log rata-rata ∆T antara koil
kondensor dan udara adalah 20 OF (5.56 OC), tentukan nilai tekanan pada sisi tinggi–
rendah dari sistem pendingin yang menggunakan freon 22 sebagai bahan pendingin.
Gambar 10.6 Diagram tekanan-entalpi untuk freon 22 (CHCLF2). (courtesy of E. I. Du Pont de Numerous. Inc)
Pemecahan: dari grafik psychrometric, titik pengembunan udara pada suhu 140OF
(60 OC) dan kelembaban udara 4% adalah 38OF (3.33 OC). Jadi, temperatur koil
evaporator seharusnya 33OF (0.56 OC). Temperatur koil kondenser dan tekanan
dihitung dari log rata-rata ∆T yang dispesifikasikan.
Dari Gambar 10.1 untuk freon 22, sisi tekanan rendah yang sesuai dengan
temperatur 33OF (0.56 OC) adalah 77 psi (530 kPa absolut). Pada kondensor, udara
masuk pada temperatur 38OF dan meninggalkan kondensor pada 140 OF. Jika sistem
dirancang menggunakan aliran berlawanan arah, countercurrent, log rata-rata dari ∆T
dapat dihitung sebagai berikut:
dimana T1 dan Tg merupakan temperatur bahan pendingin masing-masing pada phase
cair dan gas. Gambar 10.7 menunjukkan diagram tekanan-enthalpi sistem dibawah
kondisi yang diberikan.
Tekanan tinggi akan ditentukan dengan cara coba-coba dari Gambar 10.6.
Dengan mengikuti garis entropi konstan dari suatu tekanan 77 psi, tekanan tinggi
sebesar 250 psia akan memberi bahan pendingin gas yang panas pada temperatur
143oF dan temperatur dalam bentuk cairan pada119 oF. Log rata-rata :
Gambar 10.7. Diagram tekanan-entalpi sistem pemanas pompa dalam contoh 2.
Nilai ini lebih besar 20oF dari yang ditetapkan. Pada tekanan 240 psi, temperatur
bahan pendingin gas panas adalah pada 142oF dan temperatur bentuk cair adalah
117oF.
Nilai yang dihitung ini untuk log rata-rata hampir sama dengan yang
ditetapkan 20oF; oleh karena itu tekanan sisi tinggi untuk sistem seharusnya 250 psia
(1650 kPa).
Contoh 3: Suatu sistem pendingin dioperasikan pada temperatur koil evaporator -
30oF (-34,4oC) dan temperatur kondensor 100oF (37.8oC) untuk bahan pendingin
dalam bentuk cair. Untuk (a) freon 12 dan (b) bahan pendingin 717, tentukan:
1. tekanan tinggi
2. tekanan rendah
3. kapasitas pendingin per unit berat bahan pendingin
4. koefisien capaian
5. horsepower teoritik kompresor per ton pendingin, dan
6. kuantitas bahan pendingin disirkulasikan melalui sistem per ton pendingin
Pemecahan: (a) untuk freon 12: tekanan pada sisi-sisi tinggi-rendah (1 dan 2)
ditentukan dari Gambar 10.1. Pada temperatur -30oF (-34.4 oC), tekanannya adalah
12.3 psi (85 kPa). Tekanan tinggi yang sesuai dengan temperatur bahan pendingin
dalam bentuk cair 100oF (37.8oC) adalah 133 psia (910kPa).
Dengan sisi-sisi tekanan tinggi-rendah diketahui, Gambar 10.5 digunakan
untuk menyusun diagram takanan-entalpi untuk siklus pendinginan. Diagram ini
ditunjukkan pada Gambar 10.8.
Kapasitas pendingin (3) dihitung dengan menggunakan persamaan 2:
Kapasitas pendingin = (74-32) = 42 BTU/lb
= (17.2-74) x 104 = 98.000 J/kg
Koefisien kinerja sistem 940 dikalkulasikan menggunakan persamaan 29:
Secara teori horsepower per ton pendingin (5) dihitung menggunakan
persamaan 32:
Satu ton pendingin (6) ekivalent 12.000 BTU/h atau 3517 W. Berat bahan pendingin
disirkulasikan/jam adalah:
Pemecahan: (b) untuk bahan pendingin 717 : tekanan sisi-sisi tinggi dan rendah (1
dan 2) yang sesuai dengan temperatur -30oF (-33.4 oC) dan 100oF (37.8oC) ditentukan
dari Gambar 10.1. Tekanan sisi rendah adalah 13.7 psi (94 kPa). Tekanan sisi tinggi
adalah 207 psi (142 kPa).
Diagram tekanan-entalpi (3) kemudian digambarkan, dengan mengetahui sisi-sisi
tekanan tinggi dan rendah dengan menggunakan gambar 10.4. Gambar 10.9
menunjukkan diagram ini.
Kapasitas pendingin = 600 – 155 = 445 BTU/lb
= (139 – 36) x 104 = 1.030.000 J/kg
Koefisien kinerja dari sistem (4) adalah:
Horsepower secara teoritis per ton pendinginan (5) dihitung dengan menggunakan
perbandingan sama dengan 1.29
Berat bahan pendingin yang disirkulasikan per jam (ton) (6) adalah:
Gambar 10.9 Diagram tekanan-entalpi amonia untuk masalah dalam contoh 3
Kondenser Dan Evaporator
Kebanyakan sistem pendingin memindahkan panas antara bahan pendingin
dan udara. Karena koefisien perpindahan panas ke udara biasanya sangat rendah,
tahanan lapisan film mengendalikan tingkat laju perpindahan panas. Area pindah
panas yang sangat luas akan diperlukan untuk mencapai perpindahan panas yang
diperlukan. Untuk mencapai perpindahan panas yang diperlukan dan untuk tetap
memiliki ukuran peralatan yang layak, luas permukaan pindah panas dari pipa-pipa
yang mengkompromikan koil evaporator dan kondensor ditingkatkan dengan
penggunaan sirip-sirip.
Unit penukar panas bersirip ditentukan oleh luas permukaan pindah panas
efektif adalah jumlah pada area batang tabung At dan luas efektif dari sirip, yang
merupakan hasil perkalian luas permukaan sirip Af dengan efisiensi η.
Efisiensi sirip, η, berkurang sebagaimana luas dasar sirip berkurang dan sebagaimana
tinggi sirip bertambah. Selanjutnya rasio koefisien pindah panas ke udara terhadap
konduktivitas thermal metal yang membentuk sirip (h0/k) mendekati nol, η mendekati
satu. Gambar 10.10 menunjukkan efisiensi sirip untuk sistem yang paling umum.
Sirip-sirip dalam unit ini sering terdiri dari stack dari tumpukan lembaran logam yang
sangat tipis yang ditembus oleh sekumpulan pipa. Luas permukaan ekivalen dari
sirip, Af dihitung dengan rumus sebagai berikut:
Dimana nt = jumlah pipa dan nf = jumlah sirip sepanjang dari panjang masing-
masing pipa.
Kapisitas suatu pengkondensasian atau penguapan bergantung pada
ketersediaan luas permukaan yang ada untuk pindah panas dan rata-rata perbedaan
temperatur antara permukaan unit dan temperatur udara yang mengalir melalui unit.
Contoh 1: Suatu unit kondensor dari sistem pendingin terdiri dari 13 baris dengan
panjang 38.1 cm, 1.27 cm diameter luar pipa terbuat dari tembaga dengan tebal
dinding 1.651 mm, dengan jarak antar 4 pipa 2.54 cm. Sirip terdiri dari lembaran
alumunium dengan tebal 0.0254 cm yang berisi 10 lembar untuk setiap panjang 2.54
cm. Jika laju aliran udara melalui condensor adalah sama dengan laju yang keluar,
koefisien pindah panas, h adalah 9 BTU/(h.ft2.oF) atau 51.1 W/(m2.K), Hitung luas
permukaan pindah panas efektif unit ini.
Gambar 10.10. Efisiensi sirip dari sirip yang terdiri dari suatu tumpukan pelat logam, masing-masing lembaran, t, jarak yang ditembus tabung (jari-jari tabung), r, tabung dibuat dengan bagian tengah segitiga sama sisi memiliki jarak b, antara pusat.
Pemecahan: Berdasarkan Gambar 10.10. karena jarak tabung antar pusatnya diatur
2.54 cm, b = 2.54 cm. Konduktivitas thermal aluminium (dari daftar tabel A.9) adalah
206 W/(m.K). gambar 10.10 sekarang sekarang dapat digunakan untuk menentukan
efisiensi fin, η:
Jari-jari tabung, r = 0.00635 m
Jari-jari ekuivalen sirip =
Luas potongan penampang sirip =
= 0.000254 (0.014334 – 0.00635)
= 2.0279 x 10-6
Tinggi sirip :
= (0.014334 – 0.00635)
= 0.00789 m
Nilai pada absis dalam Gambar 10.10 sekarang dapat dihitung :
Dari Gambar 10.10, η = 0.9. luasan ekivalen sirip dihitung sebagai berikut:
Luasan permukaan pipa yang tak tertutupi At, adalah total luas pipa dikurangi dengan
luasan yang tertutup oleh sirip, lt = panjang pipa.
Contoh 2: Jika kondisi-kondisi seperti kondisi perbedaan temperatur rata-rata ΔT,
450F (25 0 C) dalam sistem pengkondensasian dan unit pendingin memiliki koefisien
kinerja sama dengan 2, berapa ton refrigerasi dapat dihasilkan oleh sistem pendingin
yang digabungan dengan unit kondensor seperti dalam contoh 1? Asumsikan bahwa
koefisien pidah panas bagian luar mengendalikan laju pindah panas,
Penyelesaian : laju panas yang ditansferkan melalui unit adalah
Dari persamaan 7, bila Rr = kapasitas pendingin.
Dimana :
Koefisien performance dapat diexpresikan dalam bentuk bentuk kondesor C dan
kapasitas pendinginan Rr.
dengan menyelesaikan untuk Rr:
Dengan mensubstitusikan jumlah COP dan C
Suatu prosedur yang sama mungkin digunakan untuk mengevaluasi
evaporator. Contoh-contoh menggambarkan ketergantungan kapasitas dari suatu
sistem pendinginan pada kapasitas pertukaran panas dari unit kondensor atau
evaporator dalam sistem.
Kompresor
Kompresor harus mampu memampatkan sejumlah bahan pendingin yang
diperlukan per satuan waktu antara sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah untuk
menghasilkan kapasitas pendingin yang diperlukan. Kapasitas kompresor ditentukan
oleh jarak dan efisiensi volumentrik unit tersebut. Displacement merupakan volume
yang dipindahkan oleh piston atau unit rotari per unit waktu. Untuk suatu kompresor
yang bersifat bolak-balik, Displacement dihitung dengan persamaan berikut:
Displacement = (luasan dari bore) (stroke)(siklus/min)
Secara teoritis, kuantitas gas yang melewati kompresor per unit waktu harus
tidak bergantung pada tekanan dan harus hanya merupakan fungsi dari perpindahan
(displacement) dari kompresor. Namun demikian, pada tekanan tinggi, kompresor tipe
rotari menghasilkan suatu jumlah slip tertentu, kompresor bolak-balik meninggalkan
sejumlah gas tertentu di ruang antara kepala silinder dan piston pada akhir langkah,
strocke. Jadi jumlah gas yang sebenarnya melalui kompresor per siklus adalah kurang
dari nilai displacement. Efisiensi volumetrik dari suatu kompresor adalah
perbandingan dari volume aktual yang dilepaskan terhadap displacement. Efisiensi
volumetrik menurun dengan meningkatnya perbandingan tekanan sisi tinggi terhadap
tekanan sisi rendah.
Kompresor yang besar yang beroperasi pada tekanan yang sangat rendah pada
evaporator, seperti kompresor yang digunakan untuk membekukan, sering dalam
bentuk multistage, dimana bahan pendingin dimampatkan pada tekanan intermediat
dan kemudian didinginkan secara partial sebelum bahan pendingin tersebut masuk
ketahap kedua, dimana bahan pendingin tersebut dimampatkan untuk tekanan lanjut
yang lebih tinggi, dan sebagainya, sampai tekanan tinggi yang diinginkan tercapai.
Tahapan dirancang sehingga kerja yang sama terpenuhi pada setiap tahapan dan
efisiensi volumetrik tetap tinggi karena perbandingan yang rendah dari tekanan sisi
tinggi terhadap tekanan sisi rendah pada setiap tahapan.
Gambar 10.11 menunjukkan perbandingan antara kebutuhan tenaga per ton
pendinginan antara kompresor satu tahap dan kompresor dua tahap yang beroperasi
pada berbagai suction-tekanan. Untuk amonia kompresor yang beroperasi pada
tekanan sisi hisap yang ekuivalen pada temperatur -30oF, tenaga kuda motor per ton
pendingin adalah 3.2 untuk kompresor satu tahap dan hanya 2.5 untuk kompresor dua
tahap. Dalam contoh 3, bagian b, dalam bagian ”contoh-contoh masalah dalam
penggunaan tabel bahan pendingin” secara teori tenaga kuda per ton pendingin di
bawah kondisi ini hanya 1.51. Maka efisiensi kompresor yang ditunjukkan oleh grafik
pada Gambar 10.11 hanya 47% untuk kompresor satu tahap unit dan 60% untuk
kompresor dua tahap.
Gambar 10.11. Horsepower motor dan kW/ton pendingin untuk satu–dan-dua kompresor. (dari Food Eng. 41 (11):91, 1969. used with permission)
Keberadaan udara dalam aliran bahan pendingin mengurangi efisiensi
kompressor jika dinyatakan dalam bentuk horsepower per ton pendingin, karena
jumlah tenaga diperlukan untuk memampatkan tekanan gas diperlukan untuk
memampatkan gas sampai pada tekanan yang dibutuhkan. Lebih sedikit bahan
pendingin yang dilewatkan sebab bagian dari gas dimampatkan adalah udara
Beban Pendinginan
Sejumlah panas yang harus dipindahkan oleh suatu sistem pendinginan per
unit waktu disebut beban pendinginan. Beban pendinginan dapat dibagi lagi dalam
dua kateori: beban tidak mantap unsteady state, yang mana adalah laju panas yang
perlu dipindahkan untuk mengurangi temperatur bahan yang didinginkan mencapai
temperatur penyimpanan dalam suatu periode waktu yang spesifik, dan beban mantap,
steady state, yang mana adalah jumlah panas yang perlu dipindahkan untuk menjaga
temperatur penyimpanan. Untuk produk-produk makanan, temperatur harus dikurangi
mencapai temperatur penyimpanan dalam waktu yang paling pendek untuk mencegah
perkembangan spoilage mikrobiologi dan kerusakan kualitas. Oleh karena itu, jika
bahan dalam jumlah yang besar perlu dimasukan dalam ruang penyimpanan yang
didinginkan secara bertahap, bahan tersebut biasanya didinginkan dalam pendinginan
yang lebih kecil atau gudang pendinginan awal atau dengan cara lain sebelum masuk
ke dalam gudang penyimpanan yang besar. Cara ini mencegah pemasangan unit
pendingin yang terlalu besar dalam suatu gudang penyimpanan yang besar dimana
akan beroperasi kapasitas penuh selama periode yang pendek bila bahan dimasukan
kedalam gudang.
Beban tidak mantap, unsteady state termasuk panas sensible dari produk,
panas respirasi jika merupakan produk segar, dan panas peleburan air dalam produk
jika produk dibekukan. Beban mantap, steady state termasuk panas perambatan
melalui dinding pelapis, melalui crack dan crevices dan melalui pintu: panas laten
kondensasi dari kelembaban yang berifiltrasi kedalam ruang; dan panas dihasilkan
dalam ruang.
Panas Perambatan Melalui semua dinding, Enclosure. Laju Perpindahan panas
melalui bahan padat komposit dan teknik untuk penentuan koefisien perpindahan
panas yang didiskusikan secara keseluruhan dalam Bab 7. ASHRAE Guide and Data
Book 1965 merekomendasikan koefisien pindah panas rencana yang digunakan untuk
beragam permukaan, ditunjukkan dalam Tabel 10.1.
Panas Perambatan melalui Cracks dan Crevices.
Mayoritas dari panas yang dipindahkan adalah karena fluktuasi tekanan yang
disebabkan oleh siklus temperatur dalam ruang. Pada titik temperatur yang tinggi
dalam siklus, udara dingin akan keluar dari ruang. Bila tekanan turun pada titik
temperatur yang rendah dalam siklus, udara hangat akan terhisap kedalam ruang.
Jumlah udara yang masuk kedalam ruang karena temperatur siklus dapat dihitung
dengan menggunakan prinsip-prinsip yang didiskusikan dalam Bab 4.
Tabel 10.1. Koefisien perpindahan panas udara dari beragam permukaan di bawah beragam kondisi
Sumber: diadopsi dari ASHRAE, 1965. koefisisen desain transmisi panas. ASHRAE Guide and Book. Fundamental and Equipment for 1985 dan 1986. American society of heating. Refrigeration and Air Conditioning Engineers, Atlanta, GA.
Panas perambatan, incursion, melalui pintu terbuka. Dengan membuka pintu
membiarkan udara luar yang hangat masuk dan pengusiran udara dingin. Laju
perambatan panas adalah tergantung pada ukuran pintu dan perbedaan temperatur
antara didalam dan diluar. Data tentang laju pindah panas yang melalui pintu ruang
yang didinginkan telah ditentukan secara empiris. Persamaan untuk laju kehilangan
panas dihitung dari data yang dipublikasikan dalam Food Engineering Magazine
(41(11),:91,1996) untuk nilai ∆T antara 40odan 120oF (22.2 oC dan 66.7 oC) adalah:
Dimana q = perambatan panas kedalam ruang dalam watt, W merupakan lebar pintu
dalam m, ∆T merupakan perbedaaan temperatur oC dalam dan luar ruangan, dan h
merupakan tinggi pintu dalam m.
Contoh: Pintu pada ruang didinginkan panjangnya 3.048 m dan lebarnya 1.83m. Jika
dibuka dan ditutup paling sedikit 5 kali setiap jam dan tetap terbuka untuk paling
sedikit 1 menit pada setiap pembukaan. Hitung beban pendinginan karena pembukaan
pintu jika ruang dijaga pada temperatur 00C dan temperatur lingkungan 29.40C.
Pemecahan: h = 3.048m, W = 1.83 m, ∆T = 29.40C. Dengan mensubstitusikan dalam
persamaan 11:
Permukaan
koefisien perpindahan panas
Dinding dalam (udara tetap) 1.5 8.5Dinding luar atau genting15 miles/jam atau 24 km/jam angin 5.9 33.5Dinding luar atau genting7.5 miles/jam atau 12 km/jam angin 4.0 22.7Permukaan horizontal, udara, aliran panas keatas 1.7 9.7Permukaan horizontal, udara, aliran panas kebawah 1.1 6.25
Total waktu pintu dibuka dalam 1 jam adalah 300 s, beban pendinginan = 108.6 KW
(300s) = 35.58 MJ.
Pembangkit Panas. Motor dalam sebuah ruang yang didinginkan menghasilkan
panas pada laju 1025.5 W/hp. Laju ini menurun menjadi 732.48W/hp hanya jika
motor didalam dan beban penggeraknya berada diluar ruang yang didinginkan.
Pekerja dalam ruangan menghasilkan panas 293 W per orang. Laju pembangkit panas
oleh pekerja meningkat dengan menurunnya temperatur ruang. Panas yang
dikeluarkan oleh cahaya lampu sama dengan watt pada lampu.
Buah-buahan dan sayuran bernafas, dan panas respirasi menambah beban
pendinginan. Panas respirasi ini merupakan suatu fungsi dari temperatur dan dapat
dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :
q = laju panas pembangkit (mW/kg dalam SI). Nilai untuk a dan b untuk beragam
buah dan sayuran ditunjukkan dalam Tabel 10.2.
Table 10.2 Respirasi panas buah-buahan dan sayuran di udara. Jumlah konstanta a
Sumber :ASHARE, 1974. Pendekatan tingkat evaluasi panas buah dan sayuran tertentu ketika disimpan pada temperatur yang tentukan. Dalam ASHRAE, 1965. Handbook and Product Directory-1974 Aplication. American society of heating. Refrigeration and Air Conditioning Engineers, Atlanta, GA.
q dihitung menggunakan konstanta a dan b merupakan nilai maksimum dalam batasan yang dilaporkan. Rata-rata nilai minimum 67% dari nilai maksimum.
Selama pendinginan, panas respirasi berkurang sebagaimana temperature
menurun. Rata-rata panas hasil respirasi dapat dihitung antara dua temperatur T1 dan
T2 dengan mengetahui waktu Δt untuk temperature berubah antara T1 dan T2 dan
dengan mengasumsikan bahwa perubahan temperatur selama periode ini adalah
linear.
Dengan mengasumsikan perubahan temperatur yang linear:
Dengan mensubstitusikan persamaan 14 untuk T kedalam persamaan 13:
Dengan mengintegrasikan dan mensubstitusikan:
Persamaan 15 merupakan rata-rata laju pembangkitan pada waktu Δt. Satuan-satuan
adalah sama seperti satuan a, yang mana dalam SI adalah mW/kg, sebagaimana
ditabulasikan dalam Table 10.2. Dengan mengalikan q dalam persamaan 15 dengan Δt
memberikan panas total yang dihasilkan untuk periode waktu yang dipertimbangkan.
Namun demikian temperatur pada suatu titik yang diberikan dalam material
selama proses pendinginan biasanya berubah secara eksponensial dengan waktu,
material yang didinginkan dalam bulk (seperti; selada atau kotak produk) memiliki
suatu gradien temperatur dengan bagian dalam pada temperatur yang lebih tinggi
daripada bagian luar yang berhadapan langsung dengan medium pendinginan.
Kemudian, jika temperatur rata-rata bulk ditetapkan, deviasi dari asumsi perubahan
temperatur linear adalah minimum.
Contoh 1. Diinginkan untuk mendinginkan kubis dari 32.2oC menjadi 4.44oC dalam
waktu 4 jam. Hitung panas respirasi selama periode pendinginan. Asumsikan
perubahan temperaturnya linear.
Pemecahan: T1 = 32.2 oC, T2 = 4.44 oC; Δt = 4 jam = 14400 s. Dari Tabel 10.2 untuk
kubis, a = 16.8 dan b = 0.074 dalam satuan SI. Pengujian persamaan 12
mengungkapkan bahwa a akan memiliki persamaan satuan seperti q dan b akan
mempunyai satuan 1/oC.
Panas yang dihasilkan pada periode waktu 14.400 s adalah Q:
Contoh 2: Hitung beban pendinginan karena panas respirasi dari bayam pada
temperatur konstan 3.33 oC:
Pemecahan: T = 3.33oC dan Tabel 10.2, a = 65.6 mW/kg dan b = 0.131C-1.
Beban Pendinginan Tidak Mantap (Unsteady State).
Prosedur untuk menghitung kapasitas panas dan panas sensible yang masuk
atau yang hilang didiskusikan pada Bab 5. Ketika perubahan phase dilibatkan, panas
laten pembentukan es adalah 144 BTU/lb, 80 cal/g atau 0.335 MJ/kg.
Contoh: Hitung beban pendinginan bila 100kg/jam kacang polong dibekukan dari
30oC menjadi – 40oC. Kacang polong memiliki kandungan air 74%.
Pemecahan: Bila beban pendingin = Qr; m = massa; C1= panas jenis diatas titik
beku ; Cs= panas jenis di bawah titik beku ; Tf = titik beku; Hf = entalphi pada titik
beku didasarkan pada H = 0 pada temperature referensi 222.6 K, dimana semua air
dalam bentuik es; T1= temperatur awal dan T2 = temperatur akhir.
Fraksi massa air adalah 0.74; M = 0.74
Dengan menggunakan persamaan 7, Bab 5:
Dengan menggunakan persamaan 20, dalam Bab 5:
Dengan menggunakan persamaan 22, dalam Bab 5
dengan menggunakan persamaan 17, dalam Bab 5:
Dengan menggunakan persamaan 18, dalam Bab 5:
Dengan menggunakan persamaan 23, dalam Bab 5:
Total Qr untuk 100kg/jam = 395,193 J/kg (100kg/jam) = 3.95193 x 107 J/h atau
10.9776 KW.
Pendekatan lain, yang lebih umum, adalah menggunakan prinsip depresi titik
beku untuk menentukan fraksi sisa air yang tidak beku pada temperatur di bawah
titik beku. Bila y12 = fraksi air dalam bentuk cair pada temperatur T2; M = fraksi masa
dari total es dan air dalam bentuk cair dalam material. Entalphi pada T2, didasarkan
pada entalpi nol pada T = 227.6 K bila semua air dalam phase padat, merupakan
penjumlahan dari panas peleburan dari fraksi air yang masih dalam bentuk cair pada
T2, dan panas sensible dari fraksi padatan dari temperatur referensi untuk T2 .
Fraksi masa air dalam bentuk cair dalam material pada T2 dievaluasi dari
molalitas dari suatu larutan yang memberikan penurunan titik beku air sama dengan
perbedaan antara T2 dan 273 K, titik beku air murni. Pemecahan tekanan titik beku
diberikan oleh Dimana kf = konstanta cryoscopic = 1.9 untuk air dan
solute karbohidrat dan MS = molalitas = mol solute per 1000 g air.
Pada T2, titik beku menekan (0-T2) dan ekivalen molal yang memberikan
penurunan titik beku Ms2 = (0 - T2)/1.9.
Titik beku dapat digunakan untuk menentukan jumlah solute. Ms = (0 – Tf)/1.9. n =
jumlah mol solute dalam 1 kg material.
Dalam kasus kacang polong, titik beku, Tf = -1.5C. molalitas diperlukan untuk
mengurangi titik padat 1.5 C adalah:
Pada -40oC, pemecahan molality yang akan ditekan dari titik beku menjadi titik air
adalah cairan pada temperatur ini adalah:
Peleburan panas pada iar adalah 334.944J/kg
Entalphi titik beku berdasarkan semua air mencair :
Beban pendingin merupakan kehilangan panas sensible dari temperatur awal
plus perbedaaan entalphi dari titik beku ke temperatur akhir.pertentangan
antara kalkulasi berdasarkan penekanan titik beku dan korelasi Chang dan Tao (1981)
didiskusikan dalam Bab 5, hanya 3.8 %.
Kebutuhan Penyimpanan Komoditi
Banyak produk makanan yang terkenal dari pengurangan temperatur
penyimpanan yang disajikan dengan ketentuan tidak ada pembekuan yang terjadi.
Pengurangan temperatur reaksi kimia yang menyebabkan produk menjadi jelek dan