BAB II DASAR TEORI 2.1 Cold Storage Cold storage merupakan suatu ruang penyimpanan yang digunakan untuk menjaga dan menurunkan temperatur produk beserta kelembabannya agar kualitas produk tetap terjaga sampai pada waktunya dikirim ke konsumen. Bangunan cold storage dapat dikelompokkan menurut fungsi utamanya, yaitu: 1. Bangunan yang difungsikan untuk menyimpan sayuran dan buah-buahan. Bangunan ini memiliki temperatur > 0 C. 2. Bangunan yang difungsikan untuk menyimpan makanan beku seperti ikan dan daging. Bangunan ini memiliki temperatur sampai -25 C. 3. Bangunan yang biasanya digunakan untuk memproduksi ice cream. Gambar 2.1 Bangunan Cold Storage (sumber, yunias19ocean.blogspot.com) POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 5
2.2 Sistem Kompresi Uap Sederhana Sistem refrigerasi kompresi uap adalah siklus pada sistem pendinginan yang menggunakan proses penguapan dalam menyerap panas dengan menggunakan media refrigeran. Komponen utama yang digunakan adalah kompresor, kondensor, alat ekspansi dan evaporator. Siklus refrigerasi tersebut berlangsung secara terus-menerus sehingga menghasilkan suatu siklus seperti Gambar 2.2, dan Gambar 2.3. 3 2 KONDENSOR ALAT EKSPANSI KOMPRESOR 4 1 EVAPORATOR Gambar 2.2 Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Sederhana P 3 Kondensasi 2 Ekspansi Kompresi 4 Evaporasi 1 Gambar 2.3 Siklus Refrigerasi Kompresi Uap pada Diagram P- h POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 6
2.2.1 Proses 1-2 Proses Kompresi Proses kompresi ini terjadi di kompresor, dimana fasa yang masuk ke kompresor adalah uap jenuh dengan tekanan dan temperatur yang rendah. Kerja yang diberikan pada refrigeran dengan cara dipompakan (dikompresikan) agar tekanan naik sehingga temperaturnya juga menjadi naik (titik didih naik). Pada fasa ini, uap refrigeran yang keluar dari kompresor berubah menjadi fasa uap superheat dengan tekanan yang tinggi. Temperatur refrigeran akan lebih tinggi daripada temperatur lingkungan tempat kompresor tersebut ditempatkan. Refrigeran mengalami kompresi secara isentropik. Kerja kompresi (qw) dapat dinyatakan dalam persamaan: qw = h 2 h 1...(2.1) (Dossat, 1981) qw = Kerja kompresor (kj/kg) h 1 = Enthalpy refrigeran saat masuk kompresor (kj/kg) h 2 = Enthalpy refrigeran saat keluar kompresor (kj/kg) 2.2.2 Proses 2-3 Proses Kondensasi Proses ini terjadi di kondensor, uap refrigeran dari saluran discharge mengalami pendinginan dengan melepaskan kalor sensibel ke lingkungannya sehingga menjadi uap jenuh yang siap diembunkan. Refrigeran yang mempunyai tekanan dan temperatur yang tinggi akan berubah fasanya menjadi cair dan melepas kalor laten ke lingkungan sekitarnya. Proses kondensasi ini terjadi pada temperatur dan tekanan yang konstan. Kalor yang dilepas di kondenser : POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 7
Q c = m. q c q c = h 2 - h 3 Q c = m. (h 2 -h 3 )...(2.2) (Dossat,1981) Q c = Kalor yang dilepas di kondenser (kw) m = Laju aliran massa refrigeran (kg/s) h 2 = Enthalpy refrigeran keluar kompresor (kj/kg) h 3 = Enthalpy refrigeran keluar kondenser (kj/kg) 2.2.3 Proses 3-4 Proses Ekspansi Proses ekspansi merupakan suatu proses penurunan tekanan. Proses ini terjadi di katup ekspansi. Setelah refrigeran melepas kalor di kondensor, refrigeran berfasa cair yang berasal dari kondensor akan mengalir menuju katup ekspansi untuk diturunkan tekanan dan temperaturnya. Diharapkan temperatur yang akan terjadi lebih rendah daripada temperatur lingkungan, sehingga dapa menyerap kalor pada saat berada di evaporator. Dalam proses ekspansi ini tidak terjadi proses penerimaaan ataupun pelepasan energi. Maka, dapat dinyatakan dalam persamaan: h 3 = h 4...(2.3) (Dossat, 1981) h 3 = Enthalpy refrigeran keluar kompresor (kj/kg) POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 8
h 4 = Enthalpy refrigeran masuk evaporator (kj/kg) 2.2.4 Proses 4-1 Proses Evaporasi Proses ini terjadi di bagian evaporator, dimana temperatur refrigeran di evaporator dibuat lebih rendah daripada temperatur lingkungan atau kabin. Karena temperatur refrigeran lebih rendah dibandingkan temperatur lingkungan, maka refrigeran itu akan mengalami penguapan dan menyerap kalor dari lingkungan atau produk yang akan didinginkan. Sehingga refrigeran berubah fasa dari fasa campuran (cair-uap) menjadi fasa uap jenuh. Besarnya kalor yang diserap di evaporator adalah: qe = h 1 h 4...(2.4) (Dossat, 1981) Kalor total diserap di evaporator (kapasitas Pendinginan) Qe = m. qe Qe = m. ( h 1 h 4 )....(2.5) qe = Besranya kalor yang diserap di evaporator (kj/kg) m = Laju aliran massa refrigeran (kg/s) h 1 = Enthalpy Refrigeran keluar evaporator (kj/kg) h 4 = Enthalpy refrigeran masuk evaporator (kj/kg) 2.3 Performansi Sistem POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 9
Diagram P-h (pressure-enthalpy) atau diagram mollier merupakan suatu media untuk mengetahui besaran-besaran yang menunjukkan performansi dari suatu sistem. Untuk menganalisis suatu sistem dari diagram P-h biasanya kita harus mengetahui terlebih dahulu jenis refrigeran yang digunakan pada sistem tersebut. Karena diagram P-h bermacam-macam sesuai dengan jenisnya. Dengan adanya diagram P-h kita dapat dengan mudah mengetahui performansi sistem dari data yang diperoleh diantaranya: jenis refrigeran yang digunakan, tekanan kerja high pressure dan low pressure dengan menggunakan pressure gauge, temperatur keluar dan masuk evaporator, temperatur keluar dan masuk kompresor, temperatur keluar dan masuk kondensor, temperatur kabin dan temperatur masuk alat ekspansi. Selanjutnya kita dapat memplotkan pada diagram P-h sehingga kita dapat menghitung nilai: Kapasitas refrigerasi Qe = m. (h 1 -h 4 ) Kerja kompresi Qw = m. (h 2 h 1 ) Kalor yang di buang kondensor Qc = m. (h 2 h 3 ) Nilai COPcarnot,COPactual dan Efisiensi sistem 2.4 Koefisien Prestasi Perhitungan koefisien prestasi dari suatu sistem refrigerasi akan memudahkan untuk mengetahui efisiensi dari suatu sistem. Harga koefisien actual dan carnot dapat ditulis dengan persamaan berikut: COP actual adalah COP sebenarnya yang dimiliki suatu sistem. COP actual = qe qw...(2.6) (Dossat,1981) POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 10
COP actual qe qw = koefisien prestasi aktual = Efek refrigerasi (kj/kg) = Kerja kompresi (kj/kg) COP carnot atau COP ideal adalah COP maksimum yang dapat dimiliki suatu sistem. Sementara perhitungan COP carnot dapat dituliskan dengan persamaan: Te COP carnot = Tk Te...(2.7) (Dossat, 1981) COP carnot Te Tk = koefisien prestasi carnot = Temperatur evaporator (K) = Temperatur kondensor (K) Sedangkan untuk mencari harga efisiensi dari suatu sistem refrigerasi dapat dinyatakan dalam persamaan berikut: ɳ = COPactual COPcarnot...(2.8) (Dossat, 1981) 2.5 Perhitungan Beban Pendinginan Dalam rancang bangun sistem refrigerasi perlu dilakukan perhitungan beban pendinginan yang harus ditangani untuk menentukan kapasitas peralatan yang dibutuhkan. Dalam sistem refrigerasi beban pendinginan bisa dikelompokkan ke dalam empat jenis sumber beban. Beban total diperoleh dengan menjumlahkan beban yang ada dari keempat jenis sumber beban tersebut. POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 11
Jenis sumber beban,yaitu: 1. Beban kalor melalui dinding (wall gain load) 2. Beban pertukaran udara (air change load) 3. Beban produk (product load) 4. Beban lain-lain (miscellaneous load) 2.5.1 Beban Kalor Melalui Dinding Besarnya kalor yang masuk ruangan melalui dinding dapat dihitung dengan persamaan : Qd = U x A x T... (2.9) Q = Kalor yang masuk ke ruangan melalui dinding (Watt) U = Koefisien perpindahan panas meyeluruh (W/m² K) T = Beda temperatur melalui dinding ( 0 C) A = Luas penampang (m²) Nilai U bisa dicari dengan cara : 1 U 1 f i x k 1 1 x k 2 2 x k 3 3 x... k n n 1 f 0...(2.10) U = Koefisien perpindahan kalor meyeluruh dalam (W/m²K) k = Konduktivitas bahan (W/m K) x = Tebal lapisan bahan (m) f i = Koefisien konveksi dinding dalam diasumsikan 9,37 (W/m² K) f o = Koefisien konveksi dinding luar. diasumsikan 22,7 (W/m² K) Harga c dan k dilihat pada tabel 10-3 (Dossat,1981) POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 12
Untuk bahan yang tidak homogen nilai k dapat diperoleh dengan data konduksi bahan sebagai berikut : x C...(2.11) k C = Nilai konduktansi 2.5.2 Beban Pertukaran Udara (infiltrasi load) Udara yang masuk ke dalam ruangan refrigerasi bisa menjadi beban untuk pendinginan ruangan tersebut. Udara masuk ruangan ada dua yaitu : - ventilasi (sengaja) - infiltrasi (tidak sengaja) Beban pertukaran udara bisa dihitung dengan persamaan : Qpu = I x h...(2.12) Q pu I h = Kalor pertukaran udara, (kw) = Laju infiltrasi,(l/s) = Perubahan entalpi faktor pertukaran udara, (kj/l) Harga I dan h dilihat di tabel 10-7 dan 10-6 Dossat. 2.5.3 Beban Produk Beban produk dapat dibagi menjadi : 1. Beban pendinginan produk 2. Beban wadah (tempat) 3. Beban respirasi (untuk buah dan sayuran) 4. Beban lain lain POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 13
2.5.4 Beban Kalor Dari Produk (product load) persamaan: Beban pendinginan produk ini dapat dihitung dengan dimana : Qp = m.cp. T...(2.13) n.3600 Qp = Beban kalor penurunan temperatur produk (kw) Cp = Kalor spesifik (kj/kgk) m = Massa produk (kg) T = Besarnya penurunan temperatur (K) n = Chilling time 2.5.5 Beban Wadah Wadah atau pembungkus bisa menjadi sumber beban untuk m. C p. T Q...(2.14) n.3600. pendinginan, besarnya beban wadah dihitung dengan persamaan : dimana : Cp = Kalor spesifik wadah, (kj/kg K) m = Massa wadah (kg) t = Besarnya penurunan temperatur (K) n = Chilling time Bila ada chilling rate factor digunakan persamaan : m. C p. T Q...(2.15) n.3600. Rf dimana : POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 14
RF = chilling rate factor (nilainya berupa pecahan ada pada tabel 10-8 s/d 10-11, Dossat) 2.5.6 Beban Lain-Lain Beban lain-lain diantaranya adalah : 1. Manusia 2. Lampu 3. Peralatan 4. Lain-lain 2.5.7 Beban Manusia Besarnya beban kalor dari manusia diantaranya tergantung pada : a. Aktivitas b. Ukuran tubuh c. Pakaian d. Dll. Untuk memudahkan perhitungan beban kalor dari manusia dapat menggunakan tabel kalor equivalen/orang (tabel 10-14, Dossat). Beban kalor manusia dihitung dengan persamaan : Qm = (P x QE).Tp/24...(2.16) dimana : P = jumlah orang QE = kalor equivalen /orang (kw/orang) Tp = lamanya orang berada di ruangan (Jam) POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 15
2.5.8 Beban Lampu Beban dari lampu dihitung dengan persamaan : QL = WL x (TL/24)...(2.17) dimana : WL = Watt lampu (Watt) TL = lamanya lampu menyala (Jam) QL = beban kalor dari lampu (Watt) 2.5.9 Kapasitas Peralatan dan Penggunaan Faktor Keamanan Q B = Q M + Q DT + Qpu + Q pt + Q LL Q B Q M Q DT Q pu Q pt Q LL : Jumlah beban total : Beban Kalor dari manusia (kw) : Beban kalor dinding, lantai dan atap (kw) : Beban Pertukaran udara (kw) : Beban produk total (kw) : Beban lain-lain (kw) Kapasitas peralatan yang dibutuhkan dihitung dengan persamaan: Dimana: Q= QT x 24 RT...(2.18) Q QT : Kapasitas peralatan : Jumlah beban total ditambah faktor keamanan 10% dari jumlah tersebut. RT : Jam Operasi Peralatan (Running Time) POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 16
2.6 Deskripsi tentang Produk yang Diamati 2.6.1 Kentang Kentang (Solanum Tuberosum L.) termasuk famili solanoceae dan merupakan salah satu komoditas sayuran yang mendatangkan keuntungan bagi petani, mempunyai dampak yang baik dalam pemasaran dan ekspor, tidak mudah rusak seperti sayuran lain. Selain itu, merupakan sumber kalori, protein dan vitamin. Umbi kentang dapat dipanen setelah daunnya berwarna kekuningan, yaitu sekitar umur 70 hari. Setelah umbi kentang dipanen, dilakukan grading atau pengelompokan umbi berdasarkan ukuran atau berat umbi menjadi kelas A, B dan C. Sortir dilakukan untuk memisahkan umbi yang berkualitas jelek. Kemudian umbi ditempatkan dalam karung jala, keranjang atau kotak untuk tujuan pengangkutan dan penyimpanan sementara. Jika tidak langsung dipasarkan, umbi sebaiknya disimpan pada suhu dingin (cold storage), yaitu pada suhu 10 0 C dan RH 90%. Penyimpanan seperti ini bisa memperpanjang umur simpan sampai 2 bulan, mempertahankan kualitas, memperkecil susut bobot, menekan pertunasan dan menekan pembusukan umbi. 2.6.2 Buncis Buncis (Phaseolus Vulgaris L.) merupakan jenis polong-polongan yang dapat dimakan. Buah, biji, dan daunnya dimanfaatkan orang sebagai sayuran. Sayuraan ini kaya dengan kandungan protein. Pemanenan dapat dilakukan pada saat tanaman berumur 60 hari dan polong menunjukkan ciri-ciri sebagai berikut: Warna polong masih agak muda dan suram. Permukaan kulitnya agak kasar. Biji dalam polong belum menonjol. POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 17
Polongnya belum berserat dan apabila di patahkan akan menimbulkan bunyi meletup. Temperatur penyimpanan buncis di dalam cold storage antara 4-5 C dengan RH 90%. Penyimpanan seperti ini bisa memperpanjang umur simpan sampai 1 bulan. 2.6.3 Lobak (White Radish) Lobak ( Rhavanus Sativus L.) adalah tanaman jenis umbi, jenis umbi lobak ini hampir mirip dengan wortel, jika wortel mempunyai isi dan warna kulit orange lain halnya dengan lobak yang mempunyai isi dan warna kulit yang putih. Lobak banyak mengandung enzim ditase, vitamin A, vitamin B1, vitamin B2, vitamin C, dan vitamin E. Temperatur penyimpanan di dalam cold storage untuk jangka pendek antara 4-5 C. Sedangkan, untuk jangka panjang dapat disimpan pada 0 C. Lamanya penyimpanan dengan temperatur tersebut sekitar 4-5 bulan. 2.6.4 Ubi jalar (Sweet Potato) Ubi jalar atau ketela rambat (Ipomoea batatas L.) adalah sejenis tanaman budidaya. Bagian yang dimanfaatkan adalah akarnya yang berbentuk umbi dengan kandungan karbohidrat yang tinggi. Temperatur penyimpanan yang di rekomendasikan pada cold storage adalah 12,75 C. Dengan penyimpanan pada temperatur tersebut dapat memperpanjang umur simpan sampai 5 bulan. 2.6.5 Melon Melon (Cucumis Melo L.) merupakan tanaman buah yang masuk kedalam suku labu-labuan. Di dalam cold storage melon disimpan pada temperatur 7,25 C dengan RH 85 % dengan penyimpanan yang demikian akan memperpanjang umur simpan sampai 2-4 minggu. POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 18