konduktiv. termal

  • View
    240

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of konduktiv. termal

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    1/35

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    2/35

    44

    Gambar 24 Gambar Teknik Mesin Pembeku Suhu Bertahap Hasil

    Rancangan.

    Uji Kinerja Pembeku Eksergetik

    Unjuk Kerja. Model prototipe mesin pembeku eksergetik diuji tanpa

    menggunakan beban (bahan yang dibekukan) untuk melihat unjuk kerja dari

    model sistem yang dirancang tersebut. Perhitungan unjuk kerja pada sistem

    refrigerasi ditunjukkan dengan nilai COP (Coefficient of Performance) atau

    koefisien performansi, yang diturunkan dari efisiensi siklus Carnot

    (Persamaan 67 69).

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    3/35

    45

    Perhitungan COP menggunakan persamaan 67 sampai dengan

    persamaan 69 dengan entalpi diperoleh dari diagram Tekanan Entalpi (P-h

    diagram) untuk R-12 (Lampiran 8).

    Suhu Evaporator I, II, dan III = -15.6 C, -21.3 C, dan -28.9 C.

    Suhu Kondensor = 35.2 C.

    Dari suhu evaporator dan kondensor tersebut digunakan untuk

    menentukan entalpi refrigeran:

    Efek Refrigerasi tahap I = h4c - h1c = 111.1 kJ/kg

    Efek Refrigerasi tahap II = h4b - h1b = 108.5 kJ/kg

    Efek Refrigerasi tahap III = h4a - h1a = 105.1 kJ/kg

    Kerja Kompresor = h2

    - h1

    = 37.4 kJ/kg

    COP = (111.1 + 108.5 + 105.1)/((3)(37.4))

    = 2.89

    Tabel 3 Perbandingan Kinerja Mesin Pembeku Suhu Tetap1]

    dan Suhu

    Bertahap

    ParameterSuhu tetap

    1]

    (C)Dengan pentahapan suhu (C)

    tahap I tahap II tahap III

    Suhu evaporator -33.3 -15.6 -21.3 -28.9

    Suhu kondensor 54.9 35.2 35.2 35.2

    Suhu lempeng pembeku -17.7 -13.9 -20.4 -28.3

    Bahan lempeng pembeku Alumunium Stainless steel

    Efek refrigerasi (kJ/kg) 82.79 111.1 108.5 105.1

    COP 1.20 2.89

    1]Ruliyana, 2004

    Unjuk kerja dari model sistem yang dikembangkan tersebut lebih

    tinggi daripada sistem suhu tetap rancangan Ruliyana (2004), hal ini terlihat

    dari COP yang sebelumnya 1.20 naik menjadi 2.89 (Tabel 3), atau

    mengalami kenaikan sebesar 141 %..

    Dengan demikian, model sistem pembekuan suhu bertahap dapat

    meningkatkan unjuk kerja sistem refrigerasi. Perbedaan suhu antara

    lempeng dengan evaporator masing-masing tahap menjadi konstan setelah

    beberapa saat dimana aliran refrigeran menjadi tunak (steady) dan

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    4/35

    46

    ditunjukkan dengan tidak terjadinya penurunan suhu yang signifikan, baik

    pada lempeng maupun evaporator.

    Profil penurunan suhu evaporator dan lempeng pembeku tiap tahap

    pembekuan ditunjukkan pada Gambar 25, 26 dan 27. Perbedaan suhu antara

    evaporator dan lempeng berkisar antara 3 sampai 5 C. Perbedaan suhu

    tersebut terjadi karena wadah mempunyai ketebalan (1.2 mm) dan lempeng

    memiliki konduktivitas termal sebesar 15 W/mK.

    -30

    -20

    -10

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    0 15 30 45 60 75

    Waktu (menit)

    Suhu(oC)

    Gambar 25 Profil Suhu Evaporator dan Suhu Lempeng Tahap I.

    Pengujian tanpa bahan dilakukan untuk melihat profil penurunan suhu

    wadah produk. Profil penurunan suhunya terlihat seperti Gambar 28 dan 29

    Pada saat wadah produk diletakkan bersamaan dengan bekerjanya mesin

    terlihat bahwa dalam waktu 30 menit, perbedaan suhu wadah dengan

    lempeng pembeku pada tahap I, II, III adalah 4.3 C, 4.8 C, dan 10.3 C.

    Kemudian, setelah mesin berkerja konstan, wadah diletakkan pada lempeng

    pembeku tersebut selama 32 menit, dan perbedaan suhu wadah dengan

    lempeng pembeku tahap I, II, III adalah 5 C, 3.7 C, dan 9.5 C (Tabel 4).

    Suhu

    Lempeng

    tahap ISuhu evaporator

    tahap I

    Suhu

    Kondensor

    Rata-rata beda

    suhu 3 C

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    5/35

    47

    -30

    -20

    -10

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    0 15 30 45 60 75

    Waktu (menit)

    Suhu(

    oC

    )

    Gambar 26 Profil Suhu Evaporator dan Suhu Lempeng Tahap II.

    -30

    -20

    -10

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    0 15 30 45 60 75

    Waktu (menit)

    Suhu

    (oC)

    Gambar 27 Profil Suhu Evaporator dan Suhu Lempeng Tahap III.

    Suhu

    Lempeng

    tahap II

    Suhu evaporator

    tahap II

    Suhu

    Kondensor

    Suhu

    Lempeng

    tahap III

    Suhu evaporator

    tahap III

    Suhu

    Kondensor

    Rata-rata beda

    suhu 3 C

    Rata-rata beda

    suhu 5 C

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    6/35

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    7/35

    49

    Tabel 4 Beda suhu antara wadah produk dengan lempeng sentuh

    Kondisi

    Suhu konstan Perbedaan

    suhu wadah

    denganlempeng

    (oC)

    Tlempeng

    Suhu LempengPembeku (

    oC)

    Twadah

    Suhu Wadahproduk (

    oC)

    I II III I II III I II III

    Sejak awal

    pengoperasian

    mesin pembeku

    -13.9 -20.4 -28.3 -9.6 -15.6 -17.8 4.3 4.8 10.3

    Setelah lempeng

    pembeku konstan-16.1 -22 -28.9 -11.1 -18.3 -19.4 5 3.7 9.5

    Gambar 30 Pembentukan kristal es pada lempeng pembeku.

    Dari hasil pengamatan visual pada menit ke-50 pengoperasian mesin

    pembeku terjadi pembentukan kristal es (salju) pada permukaan lempeng

    pembeku seperti tampak pada Gambar 30. Hal tersebut menimbulkan

    dampak terhadap proses pembekuan pada tahap I, II dan III, yaitu

    terhambatnya proses penyerapan panas bahan di evaporator I, II dan III,

    karena adanya pembentukan salju dapat menimbulkan perbedaan suhu

    antara lempeng pembeku dan wadah produk.

    Pembentukan

    kristal es

    (salju)

    Lempeng Pembeku

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    8/35

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    9/35

    51

    wadah meningkat sepanjang pergerakan pada tahap I dan tahap II, lalu

    menurun kembali pada tahap III.

    Kecepatan wadah berpengaruh terhadap gesekan dan peningkatan

    suhu. Semakin cepat gerakan wadah, makin tinggi pula peningkatan

    suhunya, dan sebaliknya, semakin rendah kecepatan wadah, laju

    peningkatan suhu semakin kecil, seperti ditunjukkan pada Gambar 32, 33

    dan 34. Beda suhu minimum dan maksimum antara wadah dengan lempeng

    pembeku ditunjukkan pada Tabel 5.

    Tabel 5 Beda Suhu minimum dan maksimum antara wadah

    dengan lempeng pembeku

    Kecepatan

    Wadah (cm/min)

    Beda Suhu (oC)

    Minimum Maksimum

    30.0 7 9

    48.0 8 9.5

    70.6 7.5 8

    -25

    -20

    -15

    -10

    -5

    0

    0 100 200 300 400

    waktu (detik)

    suhu(oC)

    Gambar 32 Profil suhu lempeng sentuh dan wadah produk pada

    kecepatan wadah 30.0 cm/min.

    T wadahTlempeng

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    10/35

    52

    Gambar 33 Profil suhu lempeng sentuh dan wadah produk pada

    kecepatan wadah 48.0 cm/min.

    -25

    -20

    -15

    -10

    -5

    0

    0 30 60 90 120 150 180

    waktu (detik)

    suhu(oC)

    Gambar 34 Profil suhu lempeng sentuh dan wadah produk pada

    kecepatan wadah 70.6 cm/min.

    Pengujian pergerakan wadah pada sistem suhu bertahap dengan

    kecepatan wadah 0.95 cm/min, menunjukkan bahwa penurunan suhu wadah

    cukup baik dengan perbadaan suhu terhadap lempeng sekitar 5 10 C,

    seperti ditunjukkan pada Gambar 35.

    -25

    -20

    -15

    -10

    -5

    0

    0 50 100 150 200 250

    waktu (detik)

    suhu(oC)

    Tlempeng Twadah

    TlempengTwadah

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    11/35

    53

    -40

    -30

    -20

    -10

    0

    10

    20

    30

    0 20 40 60 80 100 120

    waktu (menit)

    Suhu

    (celcius)

    Twadah

    Medium pembeku

    Gambar 35 Profil penurunan suhu wadah pada pembekuan suhu bertahapkontinyu dengan kecepatan konstan 1.8 cm/menit.

    Untuk mendapatkan hasil yang optimal, kecepatan gerakan wadah

    pada tahap I dapat dipercepat atau waktunya diperpendek. Selanjutnya, suhu

    media tahap II bisa ditingkatkan, sedangkan pada tahap III, waktunya bisa

    dipersingkat dan suhu media pembeku dapat ditingkatkan.

    Analisis Energi dan Eksergi

    Pada kajian ini akan dibahas tentang: (1) Karakteristik pembekuan

    konvensional daging sapi segar, (2)Karakteristik Pembekuan Suhu Bertahap

    sistem Batch dan Kontinyu, (3) Analisis Energi dan Eksergi Sistem

    Pembekuan, (4) Simulasi proses pembekuan eksergetik

    Karakteristik Pembekuan Konvensional Daging Sapi Segar

    Pembekuan konvensional adalah sistem pembekuan yang

    menggunakan suhu media pembeku tetap selama proses pembekuan. Pada

    I II

    III

    Waktu bisa

    diperpendek

    Waktu bisa

    diperpendek dan Suhu

    bisa ditingkatkan

    Suhu bisa

    ditingkatkan

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    12/35

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    13/35

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    14/35

    56

    -40

    -30

    -20

    -10

    0

    10

    20

    30

    40

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

    waktu (menit)

    suhu(C)

    Suhu Media Pembeku

    Tb3

    Tb2

    Tb1

    (a)

    -40

    -30

    -20

    -10

    010

    20

    30

    40

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

    waktu (menit)

    Suhu(Celc

    ius)

    Suhu media pembeku

    Tb1

    Tb2

    Tb3

    (b)

    Gambar 37 Profil penurunan suhu pembekuan suhu tetap daging sapi segar,

    (a) pada suhu media pembeku -20 C; (b) pada suhu media

    pembeku -25 C

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    15/35

    57

    Data pengujian sampel berikutnya (ketiga) ditunjukkan pada Gambar

    37b. Proses pembekuan dilakukan dengan suhu media tetap, yaitu -25 C

    (berfluktuasi pada kisaran -23 C hingga -25.9 C).

    Berat sampel daging yang dibekukan adalah 280.0 gram dan tebal 2.8

    cm. Total waktu pembekuan (waktu yang dibutuhkan dari Tb1 = 0 C hingga

    Tb3 = -5 C) adalah 130.0 menit, sehingga laju pembekuan pada percobaan

    ini adalah 1.29 cm/jam.

    Data hasil pengujian ketiga percobaan tersebut ditabulasikan dalam

    Tabel 6, dan sebagai perbandingan pada Tabel 7 ditunjukkan hasil pengujian

    pembekuan dari beberapa bahan pangan lain beserta laju pembekuannya.

    Laju pembekuan sangat dipengaruhi oleh suhu media pembeku.

    Semakin rendah suhu media pembeku maka semakin cepat laju

    pembekuannya, dan sebaliknya, semakin tinggi suhu media pembeku maka

    semakin lambat laju pembekuannya.

    Tabel 6 Perbandingan Karakteristik Pengujian Daging

    Sapi Pada Pembekuan Konvensional Suhu

    Tetap -10 C, -20C dan -25 C

    Keterangan Suhu Media Pembeku (C)-10 -20 -25

    Massa daging (g) 184.4 50.0 280.0

    Tebal daging (cm) 2.0 1.6 2.8

    Suhu Awal Daging (C) 28 30 26

    Suhu Akhir Pembekuan (C) -3 -11 -10

    Lama pembekuan (menit) 166.0 73.8 130.0

    Laju Pembekuan (cm/jam) 0.72 1.30 1.29

    Titik beku bahan dipengaruhi oleh konsentrasi zat terlarut pada air

    yang terkandung pada bahan yang disebut kadar air (Desrosier, 1998).

    Kadar air daging sapi yang tinggi menunjukkan konsentrasi zat terlarut yang

    tinggi pula (62 77 %, dari Heldmand dan Lund, 1992). Tingginya

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    16/35

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    17/35

    59

    masing-masing tahap disesuaikan dengan kebutuhan untuk menyelesaikan

    masing-masing tahap tersebut. Oleh sebab itu pengendalian otomatis perlu

    ditambahkan dalam sistem ini karena selain untuk membuat suhu yang

    terkontrol pada masing-masing tahap pembekuan juga untuk mengendalikan

    sistem proses pada masing-masing tahap. Suhu bertahap sistem batch

    ditunjukkan pada Gambar 38.

    -40

    -30

    -20

    -10

    0

    10

    20

    30

    40

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

    waktu (menit)

    Suhu

    (Celcius)

    Suhu Media Pembeku

    Tb1

    Tb2

    Tb3

    I

    II III

    Gambar 38 Profil sebaran suhu produk daging sapi suhu media pembeku

    tahap I, -10oC, dan tahap II dan III masing-masing -25

    oC.

    Gambar 38 memperlihatkan grafik sebaran suhu bahan dengan suhu

    media pembeku tahap I sebesar -10oC, sedangkan tahap II dan III masing-

    masing -25oC. Proses pembekuan pada percobaan ini menggunakan sistem

    batch, dimana bahan diletakkan pada tahap I hingga suhu bagian bawah

    bahan mencapai 0 C, setelah itu wadah digeser ke tahap II hinggaperubahan fase selesai, lalu wadah digeser ke tahap III untuk hingga suhu

    bagian atas bahan (pusat termal) mencapai suhu -5 C. Waktu keseluruhan

    yang dibutuhkan dari awal proses, dimana suhu bahan 30 C mencapai suhu

    akhir pusat termal bahan -5 C adalah 210 menit, sedangkan waktu

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    18/35

    60

    pembekuannya (dari Tb1 = 0 C hingga Tb3 = -5 C) adalah 135.0 menit,

    dengan tebal bahan 3.0 cm, sehingga laju pembekuannya adalah 1.26

    cm/jam.

    Selanjutnya, sampel daging sapi dengan berat 45.0 gram dan tebal 2.2

    cm dibekukan dengan pembeku eksergetik sistem batch dengan suhu pada

    masing-masing tahap -3oC, -15

    oC, dan -21

    oC. Profil penurunan suhu

    bahan pada bagian bawah (Tb1), tengah (Tb2), atas bahan (Tb3) dan suhu

    media pembeku ditunjukkan pada Gambar 39. Waktu pembekuannya (dari

    Tb1 = 0 C hingga Tb3 = -5 C) adalah 110.0 menit, dengan tebal bahan 2.2

    cm, sehingga laju pembekuannya adalah 1.20 cm/jam.

    -40

    -30-20

    -10

    0

    10

    20

    30

    40

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

    waktu (menit)

    suhu(C)

    Suhu media pembeku

    Tb3

    Tb2

    Tb1

    Gambar 39 Profil sebaran suhu produk daging sapi dengan suhu media

    pembeku tahap I, II, dan III adalah -3oC, -15

    oC, dan -21

    oC.

    Pada Gambar 39 terlihat bahwa lamanya produk berada pada tahap I

    tidak sama dengan lamanya produk berada pada tahap lainnya (tahap II

    maupun tahap III), hal ini disebabkan oleh waktu yang dibutuhkan suhu

    daging untuk mencapai 0 C pada tahap I lebih cepat daripada daging

    tersebut berubah fase pada tahap II dan lebih cepat daripada lamanya

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    19/35

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    20/35

    62

    Pengujian pembekuan daging sapi menggunakan sistem pembeku

    eksergetik kontinyu menghasilkan profil pembekuan daging sapi seperti

    ditunjukkan pada Gambar 40, 41, dan 42.

    Perbedaan profil pembekuan daging sapi sistem kontinyu dengan

    sistem batch adalah pada sistem kontinyu, suhu wadah produk cenderung

    berfluktuasi sekitar 2 derajat, hal ini disebabkan oleh tiga hal, yakni: (1)

    lendutan pada poros pembawa wadah produk yang mengakibatkan wadah

    bergerak zig-zag, (2), adanya gesekan antara wadah produk dengan lempeng

    pembeku yang mengakibatkan kerugian perpindahan panas produk dalam

    wadah yang bergeser, dan (3) lempeng pembeku yang tidak rata

    mengakibatkan perpindahan panas pada wadah bergerak menjadi sangat

    berfluktuasi.

    -40

    -30

    -20

    -10

    0

    10

    20

    30

    40

    0 20 40 60 80 100 120 140

    Waktu (menit)

    Suhu(Celcius)

    Twadah

    Tb1

    Tb3

    Medium pembeku

    Gambar 40 Profil pembekuan daging tanpa kemasan dalam wadah produk

    yang dibekukan dengan sistem pembekuan eksergetik secara

    kontinyu (suhu media: -8, -18, -26 C) pada kecepatan wadah2.0 cm/min.

    -5 C

    97.6

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    21/35

    63

    -40

    -30

    -20

    -10

    0

    10

    20

    30

    40

    0 20 40 60 80 100 120 140

    Waktu (menit)

    Suhu(Celcius)

    Twadah

    Tb1

    Tb3

    Medium Pembeku

    Gambar 41 Profil pembekuan daging sapi dengan kemasan plastik dalam

    wadah produk dan dibekukan dengan sistem pembekuan

    eksergetik secara kontinyu (suhu media: -8, -20, -28 C) padakecepatan wadah 1.5 cm/min.

    -40

    -30

    -20

    -10

    0

    10

    2030

    40

    0 20 40 60 80 100 120 140

    waktu (menit)

    Suhu(celcius)

    Twadah

    Tb1

    Tb3

    Medium pembeku

    Gambar 42 Profil Sampel daging dengan kemasan plastik dan styrofoam

    yang diletakkan terbalik dalam wadah produk, dan dibekukan

    dengan sistem pembekuan eksergetik secara kontinyu (suhu

    media: -5, -18, -30 C) pada kecepatan wadah 1.8 cm/min.

    133.1

    -5 C

    107.5

    -5 C

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    22/35

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    23/35

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    24/35

    66

    Kebutuhan minimal energi untuk pembekuan yang dihitung

    berdasarkan data tersebut ditunjukkan pada Tabel 11. Energi yang

    dilepaskan oleh bahan dan diserap oleh lempeng pembeku pada proses

    pembekuan adalah energi dalam bentuk panas sensibel dan panas laten.

    Panas sensibel adalah panas yang menyebabkan terjadinya penurunan suhu,

    sedangkan panas laten menyebabkan perubahan fase bahan dari cair ke

    padat (kristal-kristal es).

    Tabel 11 Hasil perhitungan kebutuhan minimal energi pembekuan

    Pengujian Pers Suhu tetapSuhu bertahap

    Batch Kontinyu

    Massa produk (kg) - 0.05 0.28 0.283 0.045 0.09 0.1 0.09 0.08

    Suhu awal (C) - 30 23.7 25 30 25 28 28 20

    Suhu akhir pembekuan (C) - -9 -5 -5 -9 -7 -18 -8 -6

    Suhu media pembeku Tma (C) - -21 -25 -10 -3 -8 -5 -8 -5

    Suhu media pembeku Tmf(C) - -21 -25 -25 -15 -18 -18 -21 -18

    Suhu media pembeku Tmb (C) - -21 -25 -25 -21 -26 -30 -28 -30

    Suhu lingkungan (T0) - 30 30 30 30 30 30 30 30

    Entalpi tahap I (kJ) 24 -4.69 -21.13 -22.43 -4.22 -7.13 -8.8 -7.92 -5.18

    Entalpi tahap II (kJ) 25 -11.31 -46.93 -47.43 -10.18 -15.32 -21.79 -16.2 -12.58

    Entalpi tahap III (kJ) 26 -0.55 -1.27 -1.28 -0.49 -0.7 -2.55 -0.84 -0.49

    Total Entalpi (kJ/kg) 30 -330.9 -247.6 -251.4 -330.9 -257.3 -331.4 -277.4 -228.1

    Lama pembekuan (menit) 120 150 170 120 100 116 137 110

    Energi terpakai (kWh) ukur 2 2.47 2.87 2.01 1.6 1.9 2.2 1.6

    Energi terpakai (dalam kJ) 7200 8892 10332 7236 5760 6840 7920 5760

    Keb. Energi pembekuan (kJ) 16.55 69.33 71.15 14.89 23.16 33.14 24.96 18.25

    Kebutuhan minimum energi pembekuan dinyatakan dengan perubahan

    entalpi pembekuan dimana harganya hanya tergantung pada suhu awal dan

    suhu akhirnya untuk bahan tertentu. Tanda negatif pada nilai perubahan

    entalpi menunjukkan bahwa energi (panas) dilepas dari sistem (bahan yang

    dibekukan) dalam hal ini dari model daging sapi ke media pembekunya.

    Energi terpakai adalah energi yang secara nyata digunakan untuk

    proses pembekuan tersebut, dan diukur dengan menggunakan kWh-meter.

    Energi tersebut dipakai untuk menggerakkan kompresor sehingga terjadi

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    25/35

    67

    penurunan suhu media pembeku. Dengan demikian, energi terpakai

    dipengaruhi oleh suhu media pembeku yang diterapkan dan lamanya proses

    pembekuan berlangsung (laju pembekuan).

    Kajian eksergi dilakukan untuk melihat efektivitas penggunaan energi

    pada setiap tahap dalam proses pembekuan tersebut. Tabel 12 menunjukkan

    hasil perhitungan asupan, kehilangan, dan efisiensi eksergi pada berbagai

    skenario proses pembekuan daging sapi segar. Asupan eksergi pada tabel

    tersebut.

    Tabel 12 Hasil Perhitungan Asupan dan Efisiensi Eksergi Pembekuan

    Daging Sapi

    Pengujian Pers. Suhu tetapSuhu bertahap

    Batch KontinyuPerubahan entropi

    (kJ/K)

    34

    suku-1-0.02 -0.07 -0.08 -0.01 -0.03 -0.03 -0.03 -0.02

    34

    suku-2-0.04 -0.17 -0.18 -0.04 -0.06 -0.08 -0.06 -0.05

    34

    suku-3-0.002 -0.005 -0.005 -0.002 -0.003 -0.010 -0.003 -0.002

    Tahapan Suhu (C) -21 -25 -10,-25,-25 -3,-15,-21 -8,-18,-26 -5,-18,-30 -8,-21,-28 -5,-18,-30

    Total entropi

    (kJ/kgK)34 -1.20 -0.90 -0.91 -1.20 -0.94 -1.21 -1.01 -0.83

    Eksergi input (kJ) 42 0.95 4.68 3.41 0.52 1.02 1.15 1.14 0.68

    43 2.29 10.41 10.51 1.77 2.88 4.10 3.28 2.37

    44 0.11 0.28 0.28 0.10 0.16 0.63 0.20 0.12

    Total eksergi input(kJ/kg)

    42+43+44 66.95 54.90 50.21 53.13 45.16 58.80 51.26 39.56

    Kehilangan eksergi(Tahap I) (kJ)

    53 0.68 3.24 1.93 0.27 0.55 0.61 0.65 0.29

    Kehilangan eksergi

    (Tahap II) (kJ)57 0.94 4.83 4.88 0.57 1.06 1.51 1.35 0.87

    Kehilangan eksergi

    (Tahap III) (kJ)63 0.04 0.12 0.12 0.03 0.07 0.24 0.09 0.06

    Kehilangan eksergi

    (total) (kJ/kg)53+57+63 33.25 29.25 24.48 19.42 18.69 23.66 23.29 15.22

    Efisiensi eksergi total

    (%)63 50.34 46.73 51.24 63.44 58.62 59.76 54.56 61.53

    Rata-rata kehilangan eksergi selama proses pembekuan dengan suhu

    media pembeku tetap berkisar antara 29 hingga 33 kJ/kg. Nilai ini jauh lebih

    besar jika dibandingkan rata-rata kehilangan eksergi selama proses

    pembekuan suhu bertahap yang hanya sebesar 15 kJ/kg hingga 23 kJ/kg.

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    26/35

    68

    Eksergi input suhu tetap berkisar antara 54 66 kJ/kg, dengan model

    sistem pembekuan suhu bertahap dapat menurunkan eksergi input menjadi

    39 58 kJ/kg atau turun sekitar 8 15 kJ/kg. Rata-rata efisensi eksergi

    pada sistem pembekuan suhu tetap berkisar antara 46 % hingga 50 %,

    sedangkan dengan sistem pembekuan suhu bertahap dapat meningkatkan

    efisiensi eksergi sekitar 1 13 % menjadi sekitar 51 63 %, dimana efisensi

    eksergi pembekuan suhu bertahap sistem batch berkisar antara 51 % hingga

    63 % dan efisiensi eksergi pembekuan suhu bertahap sistem kontinyu

    berkisar antara 54 61 %.

    Besarnya total enthalpi atau panas total yang dipindahkan (Qfs atau

    Hfs) adalah kebutuhan minimum energi yang dibutuhkan untuk pembekuan

    daging sapi. Target dari analisis eksergi adalah menentukan besarnya

    kehilangan eksergi proses pembekuan untuk tahap I, II, dan III,

    sebagaimana dinyatakan oleh Bruttini et al (2001) bahwa kehilangan eksergi

    terjadi pada tiap tahap proses pembekuan. Dalam pengujian pembekuan

    daging sapi ini, kehilangan eksergi yang terjadi disajikan pada Tabel 12.

    Dari tabel tersebut menunjukkan bahwa kehilangan eksergi terbesar

    terjadi pada tahap I sampai tahap II, yaitu saat penurunan suhu bahan dari

    suhu awal ke titik beku dan saat pembekuan air bebas dalam bahan. Dengan

    demikian, cara penghematan energi dapat dilakukan dengan pengendalian

    suhu media pembeku pada tahap I dan tahap II.

    Pengendalian suhu media pembeku dapat mengakibatkan perubahan

    asupan eksergi pada sistem pembeku eksergetik. Semakin tinggi suhu media

    pembeku, semakin kecil asupan ekserginya sehingga efisiensi ekserginya

    meningkat. Dengan demikian, sistem pembeku eksergetik mampu

    meningkatkan efisiensi eksergi pembekuan.Sebagai contoh, jika suhu media pembeku tahap I dinaikan, maka

    asupan energinya menjadi lebih rendah, sehingga efisiensi eksergi sistem

    meningkat. Hal ini disebabkan oleh perbedaan antara suhu media pembeku

    dan suhu awal bahan yang kecil.

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    27/35

    69

    Sementara itu, jika suhu media pembeku sistem pembeku eksergetik

    pada tahap II dan III sama dengan sistem suhu tetap, maka asupan

    ekserginya tidak berubah, sehingga efisiensi ekserginya cenderung sama.

    Berkaitan dengan faktor mutu produk yang dibekukan, dimana pada tahap II

    merupakan tahap kritis dalam pembekuan, maka dengan suhu media

    pembeku yang rendah pada tahap ini akan dapat meningkatkan laju

    pembekuan, sehingga mutu produk dapat dipertahankan.

    Efisiensi eksergi merupakan perbandingan eksergi output dengan

    eksergi input. Sedangkan eksergi input dipengaruhi oleh perbedaan antara

    suhu media pembeku dan suhu bahan yang dibekukan. Jadi, jika input

    ekserginya tetap, tetapi output ekserginya ditingkatkan, maka efisiensieksergi akan meningkat. Atau, jika proses pembekuan diperbaiki sehingga

    input energinya menjadi lebih kecil dan menghasilkan output yang sama,

    maka efisiensi ekserginya pun meningkat.

    Energi pada proses pembekuan ini terdiri dari energi listrik, energi

    mekanis, dan energi panas. Energi yang digunakan untuk menggerakkan

    kompresor diperoleh dari energi listrik yang diubah menjadi energi mekanis

    (kerja). Kerja tersebut digunakan untuk mengambil panas bahan di ruang

    pembeku dan melepaskannya ke lingkungan di kondensor.

    Proses pembekuan merupakan proses pengambilan panas bahan oleh

    suhu media pembeku. Pengambilan panas oleh suhu media pembeku

    mempengaruhi kerja kompresor. Semakin cepat pengambilan panas, maka

    semakin rendah suhu media pembeku sehingga kerja kompresor pun

    semakin besar. Dan sebaliknya, jika suhu media pembeku semakin tinggi,

    maka kerja kompresor semakin kecil.

    Setiap proses termal selalu memproduksi entropi yang sebanding

    dengan kehilangan eksergi. Tabel 13 menunjukkan bahwa hubungan suhu

    media pembeku tahap I, II, dan III dari hasil pengujian pembekuan daging

    sapi terhadap kehilangan eksergi proses pembekuan.

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    28/35

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    29/35

    71

    y = 12.556e0.7295x

    R2 = 0.5205

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

    (Tma-Tmf)/(Tma-Tmb)

    Kehilanganeksergi(kJ/k

    g)

    Gambar 43 Grafik hubungan kehilangan eksergi (kJ/kg) terhadap nilai

    suhu tak-berdimensi T= (Tma-Tmf)/(Tma-Tmb).

    y = -19.08x + 70.461

    y = 7.1648x + 15.277

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    90

    100

    0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

    T' = (Tma-Tmf)/(Tma-Tmb)

    Kehilanganeksergi(kJ/kg

    )

    Efisiensieksergi(%)

    Efis iensi eksergi (%) Kehilangan eksergi (kJ/kg) Gambar 44 Grafik hubungan efisiensi eksergi (%) dan kehilangan

    eksergi (kJ/kg) terhadap T = (Tma-Tmf)/(Tma-Tmb).

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    30/35

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    31/35

    73

    Jika model sistem pembekuan eksergetik baik sistem batch maupun

    kontinyu diterapkan pada pembekuan daging sapi maka kehilangan eksergi

    berkurang dan efisiensi eksergi meningkat. Dari hasil pengujian pembekuan

    daging sapi dengan pembeku eksergetik diperoleh bahwa semakin besar

    efisiensi ekserginya makin kecil energi terpakainya. Dan sebaliknya,

    semakin kecil efisiensi ekserginya semakin besar energi terpakainya

    (Gambar 45).

    Pengaruh Efisiensi Eksergi terhadap Laju Pembekuan

    Gambar 46 menunjukkan grafik hubungan antara efisiensi eksergi

    dengan laju pembekuan pada pengujian sistem pembekuan suhu bertahap

    untuk daging sapi. Efisiensi eksergi ditentukan dari analisis eksergi dan laju

    pembekuan ditentukan dari data pengujian pembekuan daging sapi.

    y = -0.0104x + 1.7835

    R2 = 0.7412

    0.8

    1

    1.2

    1.4

    45 50 55 60 65

    Efisiensi eksergi (%)

    Lajupembekuan(cm/jam)

    Gambar 46 Hubungan efisiensi eksergi dengan laju pembekuan pada

    pembekuan eksergetik untuk daging sapi.

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    32/35

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    33/35

    75

    y = -1.0945x + 6.0967

    R2

    = 0.9986

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    -40 -30 -20 -10 0

    Suhu media pembeku tahap II (Tmf ,oC)

    pada Tma = -5 dan Tmb = -40

    Kehilanganeksergi(kJ/kg)

    Gambar 47 Grafik hubungan suhu media pembeku Tmf (Tma = -5 C dan

    Tmb = -40 C) terhadap kehilangan eksergi.

    y = -0.0667x + 2.0014

    R2

    = 1

    0.00

    0.50

    1.00

    1.50

    2.00

    2.50

    3.00

    3.50

    4.00

    4.50

    5.00

    -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

    Suhu Media Pembeku Thp II (Tmf) dalam Celcius

    LajuPembekuan(cm/jam)

    Gambar 48 Hubungan suhu media pembeku (Tmf) dengan laju pembekuan

    pada Tma = -5 C; Tmb =-40C.

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    34/35

    76

    Hubungan laju pembekuan dengan efisiensi eksergi disajikan pada

    Gambar 49. Dapat disimpulkan bahwa semakin tinggi Tmf maka makin

    tinggi pula efisiensi ekserginya, tetapi laju pembekuannya menurun.

    Sebaliknya, jika Tmf semakin rendah, maka laju pembekuan semakin cepat,

    namun efisiensi ekserginya semakin kecil.

    y = -49.311Ln(x) + 115.03

    R2 = 0.9987

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

    Laju Pembekuan (cm/jam)

    Efisiensieksergi(%

    )

    Gambar 49 Grafik hubungan laju pembekuan dengan efisiensi eksergi pada

    Tma = -5 C; Tmb =-40C.

    Jika suhu media pembeku tahap I (Tma) diturunkan secara perlahan

    maka efisiensi ekserginya akan menurun sebagaimana disajikan pada

    Gambar 50. Pada kurva dEx/dt dengan Tma -5 C (Tmb = -40C) berada di

    sebelah paling kiri atas, dan kurva dengan Tma sebesar -15 C (Tmb = -40C)

    berada di sebelah paling kanan bawah, sedangkan kurva dengan Tma sebesar

    -10 C (Tmb = -40C), berada diantara kurva Tma -5 dan Tma -15 C. Agar

    kualitas produk pangan yang dibekukan tetap terjaga maka Tma harus lebih

    tinggi atau sama dengan Tmf untuk mencegah rekristalisasi bahan yang

  • 7/27/2019 konduktiv. termal

    35/35

    77

    dibekukan (Golden, et al. 1997). Sebaliknya pula Tmf harus lebih rendah

    atau sama dengan Tma dan harus lebih tinggi atau sama dengan Tmb.

    y = 1.8366e0.0269x

    R2 = 0.9966

    y = 1.5918e0.0257x

    R2 = 0.9961

    y = 1.4099e0.0237x

    R2 = 0.9963

    0

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    1.2

    1.4

    1.6

    1.8

    -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

    Suhu Media Pembeku (Tmf) dalam derajat Celcius

    dEx/dT

    Tma=-5 Tma=-10 Tma=-15

    Gambar 50 Grafik hubungan suhu media pembeku terhadap perubahan

    eksergi dEx/dT (Tma = -5 C;Tmb = -40 C dan Tma = -10

    C; Tmb

    = -40 C, serta Tma

    = -15 C; Tmb

    = -40 C).