BAB II DASAR TEORI 2.1 Pasteurisasi Pasteurisasi ialah proses pemanasan bahan makanan, biasanya berbentuk cairan dengan temperatur dan waktu tertentu dan kemudian langsung didinginkan secepatnya. Proses pengolahan susu pasteurisasi bertujuan untuk : 1) Memperoleh produk susu yang memiliki kualitas dan nilai gizi tinggi. 2) Memperpanjang daya simpan produk. 3) Meningkatkan nilai tukar secara ekonomis dan daya guna bahan mentah. Proses pasteurisasi hampir tidak menyebabkan perubahan flavor dan komposisi produk. Menurut Gaman dan Sherrington [1], pasteurisasi dapat dilakukan dengan dua cara yaitu: 1) Holding Method susu dipanaskan pada 62 0 C sampai 68 0 C selama 30 menit lalu didinginkan dengan temperatur 4 0 C. 2) HTST (High Temperatur Short Time), susu dipanaskan pada temperatur 70 0 C sampai 72 0 C selama 15 detik lalu didinginkan pada temperatur 4 0 C. Mesin pasteurisasi perlu didukung mesin refrigerasi, karena setelah proses pasteurisasi susu harus sesegera mungkin didinginkan, dan disimpan pada penyimpanan susu yang telah dikondisikan temperaturnya. 2.2 Sistem Pasteurisasi HTST dan Pemanfaatan Panas Kondensor Pasteurisasi adalah suatu proses meningkatkan temperatur susu dibawah 100 0 C dan dalam jangka waktu tertentu agar dapat mematikan sebagian mikroba susu. Proses pasteurisasi yang dilanjutkan dengan pendinginan akan menghambat pertumbuhan mikroba yang dapat merusak sistem ensimatis pada susu, sehingga dapat mengurangi kerusakan zat gizi serta memperpanjang daya simpan susu. Penulis menggunakan electric heater untuk pasteurisasi yang lebih murah dan efisien. Dalam proses pasteurisasi penulis menggunakan HTST. Selain itu, 4
pemanfaatan panas kondensor digunakan untuk preheat susu dan dapat mengurangi beban kerja electric heater sehingga konsumsi daya listrik kecil. 2.3 Heat Exchanger Heat Exchanger adalah alat yang digunakan untuk menukar panas antara dua fluida yang berbeda temperaturnya. Pertukaran panas mengalir dari fluida bertemperatur tinggi ke fluida bertemperatur rendah. Banyak jenis penukar panas yang digunakan dalam sistem refrigerasi dan tata udara. Menurut Arthur P. Fraas [3], Heat exchanger jika dilihat dari alirannya dibagi menjadi 2 kategori, yaitu: Parallel flow (aliran searah) Jenis aliran parallel flow yaitu aliran masuk fluida pertama searah dengan aliran fluida kedua. Kelebihan dari heat exchanger dengan aliran paralel yaitu temperatur keluaran dari kedua fluida bisa hampir sama. Counter flow (aliran lawan arah) Jenis aliran counter flow yaitu aliran masuk fluida pertama berlawanan arah dengan aliran fluida kedua. Kelebihan dari heat exchanger dengan aliran lawan arah (counter flow) yaitu temperatur disetiap masing-masing dinding pipa heat exchanger hampir sama, selain itu keuntungan dari aliran lawan arah yaitu temperatur keluaran dari fluida dingin dapat mendekati temperatur fluida panas. Jika desain dari kedua kategori sama, heat exchanger dengan aliran lawan arah dapat mentransfer energi lebih besar dari desain dengan aliran paralel karena temperatur keluar fluida dingin bisa mendekati suhu tertinggi fluida panas. Penukar panas aliran paralel mengalami lebih banyak stres termal karena perbedaan suhu yang ekstrim pada masukan heat exchanger. Penukar panas paralel paling cocok ketika tujuannya adalah untuk mencapai temperatur yang sama pada masing-masing fluida. 5
Gambar 2.1 Tipe aliran heat exchanger [3] 2.4 Sistem Refrigerasi Sistem refrigerasi yang dipakai pada penyimpanan susu hasil pasteurisasi ini merupakan sistem refrigerasi kompresi uap biasa seperti halnya pada lemari es dimana terdapat kompresor, kondensor, alat ekspansi dan evaporator serta komponen pendukung lainya, yang membedakan hanya temperatur kerjanya saja. Sistem refrigerasi kompresi uap merupakan salah satu sistem refrigerasi mekanik yang saat ini merupakan sistem yang paling banyak dipakai karena dipandang secara komersial harganya terjangkau masyarakat menengah dan komponen yang digunakan sederhana dibandingkan sistem refrigerasi lainnya. Sistem refrigerasi kompresi uap ini merupakan sistem yang menggunakan kompresor sebagai alat pemompa refrigeran, yang mana uap refrigeran bertekanan rendah yang masuk pada sisi penghisap (suction) kemudian uap refrigeran tersebut ditekan didalam kompresor sehingga berubah menjadi uap bertekanan tinggi yang dikeluarkan pada sisi keluaran (discharge). Sehingga dari proses tersebut dapat ditentukan sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah. 6
Siklus refrigerasi kompresi uap merupakan suatu sistem yang memanfaatan aliran perpindahan panas melalui refrigeran. Komponen penyusun dari sistem refrigerasi yang dipraktekkan pada laboratorium refrigerasi terbagi dalam dua kelompok yaitu: 1. Komponen utama yang terdiri dari: Kompresor Kondensor Evaporator Katup ekspansi 2. Komponen pendukung yang terdiri dari: Komponen pendukung mekanik Komponen pendukung kelistrikan yaitu komponen yang digunakan sebagai kontrol sistem refrigerasi. Proses termodinamika yang terjadi pada sistem refrigerasi kompresi uap dapat digambarkan atau pengeplotan pada suatu diagram tekanan-entalpi yang dikenal dengan nama diagram Mollier. [2] Gambar 2.2 Diagram Mollier 7
Keterangan: Proses kompresi 1-2: terjadi proses kompresi uap secara isentropik di kompresor, sehingga tekanan dan temperatur uap refrigeran naik. Proses kondensasi 2-3: terjadi proses kondensasi secara isobar di kondensor, sehingga terjadi pelepasan panas ke lingkungan yang mengakibatkan refrigeran berubah fasa menjadi cairan bertekanan tinggi. Proses ekspansi 3-4: terjadi proses secara iso-entalpi di pipa kapiler, sehingga tekanan dan temperatur refrigeran turun. Proses evaporasi 4-1: terjadi proses evaporasi secara isobar di evaporator, sehingga terjadi penyerapan panas oleh refrigeran dan terjadi perubahan fasa dari cair bertekanan rendah menjadi uap bertekanan rendah. 2.5 Perhitungan Beban Dalam rancang bangun sistem pasteurisasi perlu dilakukan perhitungan beban pendinginan yang harus ditangani untuk menentukan kapasitas pemanas yang dibutuhkan. Dalam sistem pesteurisasi beban pemanas dikelompokkan ke dalam tiga jenis sumber beban. Beban total diperoleh dengan menjumlahkan beban yang ada dari ketiga jenis sumber beban tersebut. Jenis sumber beban: Beban kalor melalui dinding Beban produk Beban peralatan 2.5.1 Beban Kalor Melalui Dinding Beban kalor melalui dinding adalah banyaknya kalor yang masuk ke ruang pemanas. Karena adanya perbedaan temperatur antara lingkungan dengan yang akan dipanaskan. Beban kalor melalui dinding didapat dengan persamaan: [4] Q D = U A ΔT...(2-1) 8
Q D = Beban panas melalui dinding (Watt) A = Luas permukaan dinding (m 2 ) U = Koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m 2 K) ΔT = Perbedaan temperatur melalui dinding (K) 2.5.2 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh (U) Nilai U tergantung pada: Ketebalan bahan dinding Jenis bahan Kondisi permukaan (kecepatan udara) Untuk suatu bidang yang terdiri dari beberapa jenis material, maka besarnya harga U dapat dihitung dengan persamaan: [4]... (2-2) x n = Tebal lapisan ke-n (m) k n = Konduktivitas bahan ke-n (W/mK) f o = Koefisien konveksi permukaan luar (W/m 2 K) f i = Koefisien konveksi permukaan dalam (W/m 2 K) 2.5.3 Beban Produk Produk yang digunakan pada mesin pasteurisasi yaitu susu. Besarnya beban panas dari produk dapat diketahui dengan perhitungan menggunakan persamaan sebagai berikut: [2]... (2-3) Q = Beban produk (kw) m = Massa produk (kg) 9
Cp = Panas spesifik produk (kj/kg.k) ΔT = Beda temperatur sebelum dan sesudah pendinginan (K) n = Waktu yang dibutuhkan untuk mencapai temperatur akhir (jam) 2.5.4 Beban Peralatan Beban Panas Agitator Pada mesin pasteurisasi dibutuhkan pengaduk (agitator) supaya susu yang dipanaskan tidak rusak dan supaya proses pemanasan cepat tercapai. Pengaduk yang digunakan berpenggerak motor listrik. Untuk mengetahui beban panas dari agitator digunakan persamaan: [1]...(2-4) Q agitator = Beban panas agitator (kw) P o = Daya motor agitator (kw) F m = Faktor pengali t m = Waktu lamanya motor beroperasi dalam satu hari (jam) Faktor pengali motor ditentukan dari Tabel 2.1 Motor rating kilowatt output Tabel 2.1 Ekuivalen panas dari motor listrik [2] Motor efficiency % Connected Load in Refr. Space Multiplying Factor Motor Losses Outside Refr. Space Conncted Load Outside Refr. Space 0.1-0.5 33.3 1.67 1.0 0.67 0.5-2.0 55.0 1.45 1.0 0.45 2.0-15.0 85.0 1.15 1.0 0.15 2.6 Pemanfaatan Panas Kondensor Panas yang dimanfaatkan sebagai preheat adalah panas pada keluaran kompresor (discharge). 10
b a Gambar 2.3 Pemanfaatan panas kondensor pada diagram P-h Diasumsikan keluaran kondensor tube in tube berada di titik b (Gambar 2.3), tetapi pada kenyataannya temperatur keluaran tube in tube bisa lebih atau kurang dari temperatur pada titik b. Panas yang dibuang oleh tube in tube untuk setiap satu satuan massa refrigeran. [2] q hx = h a - h b...(2-5) q hx = Panas yang dibuang di tube in tube (kj/kg) h a = entalpi refrigeran di titik a (di masukan tube in tube) h b = entalpi refrigeran di titik b (di keluaran tube in tube) 2.7 Kapasitas Pemanasan Tube In Tube Di dalam tube in tube, refrigeran akan melepas sejumlah panas dan panas tersebut akan diserap oleh susu, ditulis dengan persamaan sebagai berikut: [2] Q HX = ṁ. q hx...(2-6) ṁ ref q hx = Laju aliran refrigeran (kg/s) = Panas yang dibuang di tube in tube (kj/kg) 2.8 Perhitungan Panjang Tube In Tube Proses perpidahan panas pada tube in tube adalah perpindahan panas antara susu, pipa, dan refrigeran. Proses perpindahan panas pada tube in tube digambarkan pada Gambar 2.4. 11
Gambar 2.4 Proses perpindahan panas pada tube in tube Proses perpindahan panas pada tube in tube terdapat dua proses yaitu dari refrigeran ke lingkungan dan dari refrigeran ke susu. Gambar 2.5 dan Gambar 2.6 menganalogikan aliran perpindahan panas pada tube in tube. Gambar 2.5 Analogi listrik perpindahan panas dari refrigeran ke lingkungan Analogi perpindahan panas dari refrigeran ke lingkungan dijelaskan pada Gambar 2.5. Dimana: T in1 R k.i1 R kd.1 R k.o1 T out1 : Temperatur refrigeran. : Tahanan konveksi dari refrigeran ke permukaan pipa tembaga bagian dalam. : Tahanan konduksi pada pipa tembaga. : Tahanan konveksi dari permukaan pipa tembaga bagian luar ke lingkungan. : Temperatur lingkungan. Karena temperatur refrigeran lebih tinggi dari temperatur lingkungan maka panas refrigeran akan terserap oleh lingkungan. Panas dari refrigeran berpindah ke permukaan pipa tembaga bagian dalam secara konveksi, kemudian dari permukaan pipa tembaga bagian dalam ke permukaan pipa tembaga bagian luar secara konduksi, dan dari permukaan pipa tembaga bagian luar ke lingkungan secara konveksi. 12
Gambar 2.6 Analogi listrik perpindahan panas dari refrigeran ke susu Analogi perpindahan panas dari refrigeran ke susu dijelaskan pada Gambar 2.6. Dimana: T in1 R k.o2 R kd.2 R k.i2 T in2 : Temperatur refrigeran. : Tahanan konveksi dari refrigeran ke permukaan pipa stainless steel bagian luar. : Tahanan konduksi pada pipa stainless steel. : Tahanan konveksi dari permukaan pipa stainless steel bagian dalam ke susu. : Temperatur susu. Karena temperatur refrigeran lebih tinggi dari temperatur susu maka panas refrigeran akan terserap oleh susu. Panas dari refrigeran berpindah ke permukaan pipa stainless steel bagian luar secara konveksi, kemudian dari permukaan pipa stainless steel bagian luar ke permukaan pipa stainless steel bagian dalam secara konduksi, dan dari permukaan pipa stainless steel bagian dalam ke susu secara konveksi. Persamaan-persamaan yang digunakan untuk menghitung panjang pipa tube in tube adalah persamaan untuk perpindahan panas jenis konveksi bebas dan konveksi paksa. Diketahui data sebagai berikut untuk menghitung panjang pipa tube in tube: ρ = massa jenis fluida (kg/m 3 ) μ = Viskositas fluida (kg/m.s) Cp = Panas spesifik fluida (kj/kg.k) k = Konduktivitas termal fluida (W/m.K) 13
Pertama-tama dicari jenis aliran di dalam pipa apakah laminar atau turbulen digunakan persamaan Reynolds. Persamaan Reynolds tidak berdimensi karena semua sifat-sifat yang digunakan dengan satuan yang konsisten. Pada kondensor tube in tube terdapat dua persamaan untuk mencari nilai Reynolds, yaitu: [4] Nilai Reynolds dalam tabung Re =... (2-7) Re = Bilangan Reynolds ρ = Massa jenis fluida (kg/m 3 ) v = Kecepatan aliran (m/s) d = Diameter pipa (m) μ = Viskositas fluida (kg/m.s) Nilai Reynolds annular Re =... (2-8) Re = Bilangan Reynolds ρ = Massa jenis fluida (kg/m 3 ) v = Kecepatan aliran (m/s) D H = Diameter hidrolik (m) μ = Viskositas fluida (kg/m.s) Suatu aliran bisa dikatakan laminar jika Re < 2300 dan jika nilai Re > 2300 biasanya aliran tersebut adalah turbulen. Setelah diketahui bilangan Reynolds, selanjutnya menghitung nilai Prandtl. Angka Prandtl adalah perbandingan antara viskositas kinematik dengan difusivitas termal. [4] Pr =... (2-9) 14
Pr = Bilangan Prandtl Cp = Panas spesifik fluida (kj/kg.k) μ = Viskositas fluida (kg/m.s) k = Konduktivitas termal fluida (W/m.K) Berdasarkan bilangan Reynolds dan Prandtl yang telah diketahui, selanjutnya menghitung bilangan Nusselt dengan persamaan: [4] Nu = 0,023x(Re) 0,8 x(pr) n...(2-10) Nilai eksponen n adalah sebagai berikut: n = 0,4 untuk pemanasan n = 0,3 untuk pendinginan Dari bilangan Nusselt yang diperoleh maka harga koefisien perpindahan panas konveksi dapat dihitung dengan persamaan: [4] h =...(2-11) h = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m 2 K) Nu = Bilangan Nusselt k = Konduktivitas termal (W/mK) d = Diameter pipa (m) Berdasarkan koefisien perpindahan panas konveksi yang telah diketahui, maka nilai perpindahan panas menyeluruh dapat dihitung dengan persamaan : [4] U= ( )... (2-12) U = Koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m 2 K) h i = Koefisien perpindahan panas konveksi bagian dalam (W/m 2 K) h o = Koefisien perpindahan panas konveksi bagian luar (W/m 2 K) 15
k = Konduktivitas termal (W/mK) r o = Jari-jari luar pipa (m) r i = Jari-jari dalam pipa (m) Dengan diketahui jumlah perpindahan panas menyeluruh dari tube in tube, maka dapat dihitung kapasitas panas refrigeran yang terserap dengan persamaan: Q TNT = U x A x LMTD...(2-13) U = Koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m 2 K) Q TNT = Kapasitas panas dari tube in tube (kw) A = Luas penampang kondensor tube in tube (m) Beda temperatur LMTD disebut beda suhu rata-rata logaritma. Persamaan dari LMTD adalah sebaga berikut: LMTD=... (2-14) Setelah diketahui kapasitas panas refrigeran yang terserap, maka diperoleh panjang pipa dengan persamaan: Q ref = kapasitas pelepasan kalor refrigeran (Watt) L = Panjang pipa (m) L =... (2-16) U = Koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m 2 K) D = Diameter luar pipa susu (m) 16