opyright 2018, Prosiding Seminar Nasional Vokasi Indonesia, Volume 1, e-issn 2654-6493 Pengaruh Variasi Alat Ekspansi Pipa Kapiler dan TXV pada Performansi Sistem Air blast freezer dalam Pembekuan Daging Ayam ecep Sunardi a,, Arda Rahardja L. a, AP. Edi Sukamto a a Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara, Politeknik Negeri Bandung ABSTRAK Daging khususnya daging ayam adalah salah satu produk yang mudah rusak dan busuk apabila berada di atas temperatur 20 o. Oleh karena itu, produk tersebut harus disimpan pada temperatur semestinya agar tidak cepat rusak. Maka diperlukan proses pembekuan pada daging ayam tersebut. Proses pembekuan ini bertujuan untuk mencegah, menghambat dan mematikan perkembangan mikroorganisme yang ada pada produk karena mikroorganisme tidak dapat tumbuh atau berkembang biak pada temperatur yang sangat rendah. Salah satu alat yang berfungsi untuk proses pembekuan yaitu sistem air blast freezer. Sistem air blast freezer yaitu suatu mesin dengan proses pembekuan secara cepat menggunakan udara yang dialirkan dengan alat bantu fan atau blower untuk mempercepat proses pembekuannya. Dari hasil perhitungan dan analisis pada sistem air blast freezer ketika menggunakan TXV sebagai alat ekspansinya lebih baik dibandingkan dengan pipa kapiler yaitu chilling time yang diperoleh dengan TXV lebih cepat dibandingkan saat menggunakan pipa kapiler. Besar nilai OP actual dan OP carnot saat menggunakan TXV adalah 2,63 dan 3,71. Nilai efisiensi refrigerasinya adalah 70,82%. Besar nilai OP actual dan OP carnot saat menggunakan pipa kapiler sebagai alat ekspansinya adalah 2,53 dan 3,70. Nilai efisiensi refrigerasinya adalah 68,38%. Energi listrik yang digunakan saat sistem menggunakan pipa kapiler sebagai alat ekspansinya yaitu 637,1 Watt, sedangkan energi listrik yang digunakan saat sistem menggunakan TXV sebagai alat ekspansinya yaitu 621,6 Watt. Kata kunci: 1. Pendahuluan Pemakaian sistem refrigerasi untuk keperluan komersil dan industri kini semakin banyak, terutama sebagai sarana untuk tempat penyimpanan yang membutuhkan temperatur yang rendah. Mesin refrigerasi kompresi uap adalah mesin yang paling banyak digunakan dan salah satunya adalah sebagai air blast freezer. Mesin air blast freezer yaitu suatu mesin dengan proses pembekuan secara cepat menggunakan udara yang dialirkan dengan alat bantu fan atau blower untuk mempercepat proses pembekuannya (Ilyas, 1993). Proses ini dibutuhkan untuk menurunkan temperatur produk dengan cepat sehingga dapat menghambat kerusakan produk dan menjaga mutu produk. Penurunan temperatur produk sampai titik beku dapat mengurangi aktivitas mikroorganisme dan enzim, sehingga dapat mencegah kerusakan pada pangan. 130 Beberapa produk yang mudah rusak dan membutuhkan mesin pengawet makanan, seperti sayuran, ikan, buah-buahan, daging dan lain-lain. Daging khususnya daging ayam adalah salah satu produk yang mudah rusak dan busuk apabila berada di atas temperatur 20 o. Oleh karena itu, produk tersebut harus benarbenar berada pada temperatur semestinya agar tidak cepat rusak. Maka diperlukan proses pembekuan pada daging ayam tersebut. Proses pembekuan ini bertujuan untuk mencegah, menghambat dan mematikan perkembangan mikroorganisme yang ada pada produk karena mikroorganisme tidak dapat tumbuh atau berkembang biak pada temperatur yang sangat rendah (Hadiwiyanto, 1993). Salah satu alat yang berfungsi untuk proses pembekuan yaitu mesin air blast freezer. Salah satu komponen penting dalam sitem refrigerasi kompresi uap yaitu katup ekspansi yang berfungsi untuk mengatur jumlah aliran refrigeran yang masuk ke evaporator
opyright 2018, Prosiding Seminar Nasional Vokasi Indonesia, Volume 1, e-issn 2654-6493 (Dossat, 1981). Katup ekspansi TXV (Thermostatic Expansion Valve) dan katup ekspansi pipa kapiler (capillary tube) memiliki karakter yang berbeda, sehingga penulis tertarik untuk menelitinya dengan beban produk berupa 4 kg daging ayam yang disimpan di sistem air blast freezer dan secara bergantian menggunakan TXV dan pipa kapiler sebagai alat ekspansinya. 2. Metode ara kerja sistem air blast freezer ini sama dengan prinsip kerja sistem refrigerasi kompresi uap pada umumnya. Diagram pemipaan sistem air blast freezer ditunjukkan pada Gambar 1 di bawah. receiver refrigeran menuju filter dryer yang berfungsi menyaring kotoran-kotoran yang ada pada refrigeran dan menyerap uap air, setelah melewati filter dryer refrigeran mengalir ke sight glass. Setelah itu refrigeran masuk ke katup ekspansi, pada sistem pemipaan ini terdapat dua macam alat ekspansi yaitu TXV dan pipa kapiler yang digunakan secara bergantian. Pada saat refrigeran cair masuk ke katup ekspansi, terjadi penurunan tekanan dan temperatur secara drastis. Keluar dari katup ekspansi, fasa refrigeran menjadi campuran tetapi mayoritas cair, selanjutnya refrigeran menuju evaporator. Refrigeran yang mayoritas berfasa cair dan bertekanan rendah akan menyerap kalor dari produk yang akan didinginkan, setelah refrigeran menyerap kalor, refrigeran berubah fasa menjadi uap bertekanan rendah. Setelah itu refrigeran kembali dihisap oleh kompresor dan bersirkulasi terus-menerus hingga temperatur yang diinginkan tercapai. Gambar 1. Diagram pemipaan air blast freezer Refrigeran bertekanan dan bertemperatur rendah yang berfasa uap keluar dari evaporator dan masuk ke kompresor. Kompresor berfungsi untuk mengkompresi refrigeran agar tekanannya naik dan temperaturnya naik, keluar dari kompresor fasa refrigeran masih berupa uap bertekanan dan temperatur tinggi. Setelah itu refrigeran masuk ke kondensor, pada kondensor terjadi proses pembuangan kalor yang mengakibatkan refrigeran berubah fasa dari uap menjadi cair. Refrigeran melewati liquid receiver terlebih dahulu agar refrigeran benar-benar dalam keadaan cair, setelah melewati liquid 131 2.1 Titik Pengukuran Pengambilan Data Sebelum sistem dijalankan, ditentukan terlebih dahulu titik-titik pengukuran untuk pengambilan data-data yang diperlukan. Titiktitik pengukuran itu adalah : 1. discharge (T d ) 2. keluar kondensor (T out kondensor) 3. masuk ekspansi, TXV/ pipa kapiler (T in ekspansi) 5. suction (T s ) 6. produk (T produk) 7. kabin (T kabin ) 8. Tekanan suction (P s ) 9. Tekanan discharge (P d ) 10. lingkungan (T lingk ) Tabel.1 Data Pengamatan No Besaran Satuan 1. Tekanan discharge bar 2. Tekanan suction bar 3. discharge o 4. suction o 5. out kondenser o 6. in ekspansi o 7. kabin o 8. produk o 9. lingkungan o
opyright 2018, Prosiding Seminar Nasional Vokasi Indonesia, Volume 1, e-issn 2654-6493 10. Arus listrik Ampere 11. Tegangan Volt 2.2 Sistem Kelistrikan air blast freezer Gambar 2. Diagram kelistrikan air blast freezer Seperti terlihat pada Gambar 2, sistem kelistrikan air blast freezer ini, terdapat Miniature ircuit Breaker (MB) yang berfungsi sebagai pengaman utama. Terdapat juga beberapa toogle switch untuk menghidupkan atau mematikan sistem refrigerasi dan komponen yang lainnya. Ketika MB dihidupkan maka lampu indikator berwarna merah akan menyala, hal ini menandakan sistem dalam keadaan siap dioperasikan. Pada saat MB dihidupkan, arus mengalir ke lampu indikator berwarna merah, ampere meter dan volt meter. Volt meter akan menunjukkan tegangan yang masuk ke sistem, sedangkan ampere meter akan menunjukkan arus yang dihasilkan oleh sistem. Ketika toggle switch 1 dihidupkan maka arus listrik juga mengalir ke HLP dan relay module yang berfungsi sebagai thermostat. Setelah itu arus mengalir ke kontaktor K1, time delay relay (TDR), fan evaporator, fan kondensor dan lampu indikator berwarna hijau. Pada saat K1 energized lampu indikator berwarna merah akan mati, dan arus masuk ke kompresor sehingga kompresor akan bekerja 132 yang ditandai dengan menyalanya lampu indikator berwarna hijau. Arus pada ampere meter akan terbaca jika waktu yang telah ditentukan TDR telah tercapai, fan evaporator dan fan kondenser juga akan bekerja. Untuk menghidupkan solenoid valve, hidupkan toggle switch. Jika toogle switch mengarah ke atas, maka jenis ekspansi yang bekerja adalah pipa kapiler, dan jika toggle switch mengarah ke bawah, maka jenis ekspansi yang bekerja adalah TXV. Setelah toggle switch dihidupkan, maka arus akan mengalir ke solenoid valve, sehingga solenoid valve energized dan membuka katupnya agar refrigeran dapat mengalir. Sistem air blast freezer ini juga dilengkapi dengan heater, yang berfungsi jika evaporator tertutup oleh bunga es, maka heater akan mencairkan bunga es tersebut. Untuk menghidupkan heater, hidupkan toggle switch 3. Pada saat toggle swith dihidupkan, maka arus akan mengalir ke heater dan heater akan bekerja. Arus akan mengalir terus-menerus hingga temperatur yang diinginkan tercapai. Pada saat temperatur yang diinginkan tercapai, relay module akan memutus arus ke K1, sehingga kompresor, fan evaporator, fan kondenser, TDR, dan lampu indikator berwarna hijau akan mati atau berhenti bekerja, istilah ini disebut cut-out. Sedangkan jika sensor yang telah dihubungkan ke relay module merasakan temperatur set pointnya telah tercapai, relay module energized dan mengalirkan arus ke K1, kompresor, fan evaporator, fan kondensor, TDR, dan lampu indikator seingga komponen yang teraliri oleh arus akan bekerja, istilah ini disebut cut-in. Proses ini akan berlangsung terus menerus, jika temperatur yang diinginkan telah tercapai maka kompresor dan komponen yang lainnya akan mati, dan jika temperatur telah melebihi set point, maka kompresor dan komponen yang lainnya akan bekerja kembali. 3. Hasil Penelitian Setelah didapatkan data hasil pengamatan, selanjutnya dilakukan pengolahan data. Data yang diolah yaitu: tekanan dan temperatur
opyright 2018, Prosiding Seminar Nasional Vokasi Indonesia, Volume 1, e-issn 2654-6493 refrigeran di dalam sistem, arus listrik dan tegangan, sehingga diperoleh OP actual (ASHRAE, 2001) seperti ditunjukkan pada persamaan (1), juga OP carnot seperti ditunjukkan pada persamaan (2) dan Efisiensi refrigerasi seperti ditunjukkan pada persamaan (3) serta daya listrik seperti ditunjukkan pada persamaan (4). Perhitungan entalpi dapat dilakukan dengan menggunakan diagram P-h. Dengan menggunakan aplikasi oolpack maka dapat diketahui nilai entalpinya. OP a = (1) OP a = oefficient of Performance actual q e = Kalor diserap oleh evaporator (kj/kg) q w = kerja kompresi (kj/kg) OP c Te T c OP c = (2) = oefficient of Performance arnot = evaporasi (K) = kondensasi (K) ɳ = x 100% (3) ɳ = Efisiensi refrigerasi OP a = oefficient of Performance Actual OP c = oefficient of Performance arnot Setelah nilai di atas diinput ke dalam software oolpack, maka gambar siklus P = V x I x cos (4) refrigerasinya seperti ditunjukkan (II.10) pada Gambar 3 berupa diagram P-h. P = daya listrik (Watt) V = tegangan listrik (Volt) I = arus listrik (Amper) = faktor daya Ts = -25 o ; T d = 76,5 o ; T out kondensor = 28,5 o ; P d = 12,5 bar ; P s = 0,6 bar P d = 12,5 bar gauge = 13,5 bar absolute P s = 0,6 bargauge = 1,6 barabsolute Setelah data diplotkan pada diagram P-h yang menggunakan software oolpack, maka hasil pengeplotan dapat dilihat pada Tabel 2 di bawah serta nilai-nilai entalpi yang didapat dari hasil pengeplotan. No Tabel 2. data pengukuran TXV Titik Pengukuran Menit Ke- Awal 100 Satuan 1. Tekanan Discharge 10,4 12,5 Bar 2. Tekanan Suction 2,4 0,6 Bar 3. Discharge 24 76,5 o 4. Suction 23,5-25 o 5. Out Kondensor 24,5 28,5 o 6. In TXV 24 28,5 o 7. Kabin 22-25 o 8. Produk 23-25 o 9. Lingkungan 24,5 27 o 10. Arus listrik 0 4 Ampere 11. Tegangan 210 210 Volt 3.1 Alat Ekspansi TXV Data yang diplotkan adalah data yang diperoleh dari menit ke-100 saat sistem sudah mencapai steady. Sistem ini menggunakan refrigeran R-22 dengan alat ekspansi TXV. 133
opyright 2018, Prosiding Seminar Nasional Vokasi Indonesia, Volume 1, e-issn 2654-6493 Gambar 3. Siklus refrigerasi pada diagram P-h (data TXV). Kemudian nilai entalpi nya diperoleh : h 1 = 394,487 kj/kg h 2 = 453,795 kj/kg h 3 = h4 = 238,574 kj/kg Evaporating e (Te) = -30,51 o + 273,15 = 242,64 K ondensing e (T c ) = 34,86 o + 273,15 = 308,01 K a. Besarnya kerja kompresi (qw) : q w = h 2 h 1 = 453,795 kj/kg - 394,487 kj/kg q w = 59,308 kj/kg b. Besarnya kalor yang dilepas kondensor (q c ) : q c = h 2 h 3 = 453,795 kj/kg - 238,574 kj/kg q c = 215,221 kj/kg c. Besarnya efek refrigerasi (qe) q e = h 1 h 4 = 394,487 kj/kg - 238,574 kj/kg q e = 155,913 kj/kg d. OPactual = qe/qw = (155,913 kj/kg)/(59,308 kj/kg) OPactual = 2,63 T s = -27,87 o ; T d = 76,25 o T out kondensor = 27,75 o P d = 11,9 bar ; P s = 0,5 bar Pd = 11,9 bar gauge = 12,9 bar absolute Ps = 0,5 bar gauge = 1,5 bar absolute Tabel 3. Data pengukuran pipa kapiler No Titik Pengukuran Menit Ke- Awal 135 Satuan 1. Tekanan discharge 10,4 11,9 bar 2. Tekanan suction 3,6 0,5 Bar 3. Discharge 24,25 76,25 o 4. Suction 22,50-27,87 o 5. out Kondenser 24,25 27,75 o 6. In Pipa Kapiler 26,12 27,75 o 7. Kabin 22,25-26 o 8. Produk 19,62-25 o 9. Lingkungan 24,37 24,87 o 10. Arus 0 4,1 Amper 11. Tegangan 210 210 Volt Setelah nilai di atas diinput ke dalam software oolpack, maka gambar siklus refrigerasinya seperti ditunjukkan pada Gambar 4 berupa diagram P-h. e. OPcarnot = Te/(Tc-Te) = (242,64 K)/(308,01 K-242,64 K) OP carnot = 3,71 f. Efisiensi Ref (ɳ) = OP actual /OP carnot x 100% = 2,63/3,71 x 100% Efisiensi ref. (ɳ) = 70,82 % g. Rasio kompresi = P d /P s = 13,6/1,6 Rasio kompresi = 8,50 barabsolute. 3.2 Alat Ekspansi pipa kapiler Data yang diplotkan adalah data yang diperoleh dari menit ke- 135 saat sistem sudah mencapai steady atau mencapai temperatur yang di-setting. Sistem ini menggunakan refrigeran R-22 dengan alat ekspansi pipa kapiler. 134 Gambar 4. Siklus refrigerasi pada diagram P-h (data pipa kapiler). Kemudian nilai entalpi nya diperoleh : h 1 = 392,960 kj/kg h 2 = 454,289 kj/kg h 3 = h4 = 237,611 kj/kg Evaporating e (T e ) = -32,02 o + 273,15 = 241,13 K
opyright 2018, Prosiding Seminar Nasional Vokasi Indonesia, Volume 1, e-issn 2654-6493 ondensing e (T c ) = 33,07 o + 273,15 = 306,22 K a. Besarnya kerja kompresi (q w ) q w = h 2 h 1 = 454,289 kj/kg - 392,960 kj/kg q w = 61,329 kj/kg b. Besarnya kalor yang dilepas kondensor (q c ) q c = h 2 h 3 = 454,289 kj/kg - 237,611 kj/kg q c = 216,678 kj/kg 3. Daya listrik terpakai Seperti ditunjukkan pada Gambar 5, temperatur produk berupa 4 kg daging ayam di dalam kabin air blast freezer terus mengalami penurunan, dan mati-hidup sesuai alat kontrol suhu thermostat. Pada saat menggunakan TXV produk mencapai -25 o pada menit ke 60, dan pada saat menggunakan pipa kapiler, mencapai suhu - 25 o pada menit ke 80. c. Besarnya efek refrigerasi (Q e ) q e = h 1 h 4 = 392,960 kj/kg - 237,611 kj/kg q e = 155,349 kj/kg d. OP actual = q e /q w = (155,349 kj/kg)/(61,329 kj/kg) OP actual = 2,53 e. OP carnot = T e /(T c -T e ) = (241,13 K)/(306,22 K-241,13 K) OP carnot = 3,70 f. Efisiensi (ɳ) = OP actual /OP carnot x 100% = 2,53/3,70 x 100% g. Rasio kompresi = P d /P s = 12,9/1,5 Rasio kompresi = 8,60 barabsolute 3.3. Energi Listrik Energi listrik saat menggunakan TXV: P = V x I cos φ = 210 volt x 4 A x 0,74 = 621,6 Watt Gambar 5. Grafik temperatur produk menggunakan alat ekspansi TXV dan pipa kapiler Pada Gambar 6 ditunjukkan bahwa terdapat perbedaan nilai efisiensi refrigerasi (ɳ) pada sistem air blast freezer antara alat ekspansi TXV dan pipa kapiler. Data-data yang diolah di perhitungan, adalah ketika sistem berada pada saat steady. Ketika sistem menggunakan TXV sebagai alat ekspansi, efisiensi refrigerasi ada di angka 70,82 %, dan ketika sistem menggunakan pipa kapiler sebagai alat ekspansi, efisiensi refrigerasi ada di angka 68,38 %. Energi listrik menggunakan pipa kapiler: P = V x I cos φ = 210 volt x 4,1 A x 0,74 = 637,1 Watt 4. Analisis Setelah pengolahan data-data di atas, analisis dilakukan pada: 1. apaian temperatur (chilling time) 2. Efisiensi refrigerasi Gambar 6. Grafik efisiensi refrigerasi menggunakan alat ekspansi TXV dan pipa kapiler 135
opyright 2018, Prosiding Seminar Nasional Vokasi Indonesia, Volume 1, e-issn 2654-6493 Pada Gambar 7 dijelaskan bahwa terdapat perbedaan nilai arus listrik walaupun tidak terlalu besar antara penggunaan alat ekspansi TXV dan pipa kapiler pada saat pencapaian temperatur rancangan, yaitu -25 o. Pada menit ke 60 saat penggunaan TXV mencapai -25 o arus terukur 4 Ampere (621,6 Watt), dan pada penggunaan pipa kapiler saat suhu mencapai -25 o di menit 80 arus terukur di 4,1 Ampere (637,1 Watt). Gambar 7. Grafik arus listrik menggunakan alat ekspansi TXV dan pipa kapiler 5. Kesimpulan Berdasarkan analisis di atas dapat disimpulkan bahwa penggunaan alat ekspansi TXV dan alat ekspansi pipa kapiler secara bergantian pada sistem air blast freezer, menghasilkan performansi yang berbeda. Dari sisi capaian temperatur (chilling time) produk, untuk mencapai suhu -25 o, dengan TXV butuh 60 menit dan dengan pipa kapiler butuh waktu 80 menit. Efisiensi refrigerasi, dengan TXV mencapai nilai 70,82 % dan dengan pipa kapiler mencapai 68.38 %. Konsumsi energi listrik, dengan TXV butuh 621,6 Watt dan dengan pipa kapiler butuh 637. 1 Watt. Jadi performansi sistem air blast freezer lebih baik dengan penggunaan alat ekspansi TXV. Daftar Pustaka ASHRAE, (2001) : ASHRAE Handbook of Fundamental, American Society of Heating, Refrigerating and Air onditioning Engineers, Atlanta. Dossat, Roy J. (1981), Principle of Refrigeration, SI Version, Second Edition; John Wiley & Sons, Inc, New York. Hadiwiyanto, S., (1993) : Teknologi Pengolahan Hasil Perikanan, Liberty, Yogyakarta. Ilyas, S. (1993) : Teknologi Refrigerasi Hasil Perikanan, Jilid II ; V.Paripurna, Jakarta. www.ksi.fp.uns.ac.id, accessed on June 17, 2017. https://www.slideshare.net, accessed on June 17, 2017. 136