Model Simulasi Teknik Penukar Kalor untuk Pasteurisasi (Komar)
MODEL SIMULASI TEKNIK PENUKAR KALOR TIPE ALIRAN PARALEL PADA PASTEURISASI SARI BUAH TOMAT
Engineering Simulation Model of Paralel Type Heat Exchanger in Tomato Juice Pasteurization Nur Komar Jurusan Keteknikan Pertanian – Fak. Teknologi Pertanian – Universitas Brawijaya Jl. Veteran – Malang ABSTRACT Heat exchanger for pasteurization model was developed by making energy balance based on volume control. The model was solved with numerical method and the exact solution as the value of comparison of numerical methods. The distribution of variable temperature (T) at specific points along the pipeline both in the heating pipe (the pipe to be heated) was determined. N1 = (U0..D0/mh.Cph) was used as heaters constants, N2 = (Ui..Di/mc.Cpc) as fluid flow parallel to the juice, and M1 = (Ui..Di/mc.Cpc) as fruit juice constant heating. All equations were then solved by Runge Kutta 4th order equation which is commonly used in the engineering analysis. Runge Kutta equations that have a variation of the error (x)4 can be use equation Ti + 1 = Ti + (K1 + 2K2 + 2 K3 + K4)/6. The value of Ti+1 was the temperature at one point to i+1, while Ti was the temperature of the previous point (i). Tests were conducted in parallel simulation program menu with the following data: Cp = 4.18 kJ/kgC, Cp fruit juice = 4.007 kJ/kgC, hh = 0.1597 W/m2C, mk = 0.023 kg/s, Do = 0023 m, mc = 0016 kgs, hc = 0.1575 W/m2C, Di = 0.02 m, L = 4 m, dx = 0.2, x0 = 0, TH0 = 100C, Tc0 = 20C. The result showed that the value of M1 was 0.154355 and N2 was 0.58802, which remained the big distribution of temperature that would provide a rapid rise and constant. The value of N1 = 0.198792 was fixed with a smaller value that obtained by rapidly rising temperature distribution and constant at N2. In contrast, N1 or N2 value was very small to reduce the heat and the fluid flow rate constant value would be longer achieved. Keywords: heat exchanger, pasteurization model, volume control PENDAHULUAN
memprediksi variabel yang dimasukkan penukar kalor tipe ganda melalui sebaran suhu yang terjadi pada dari hasil keluaran simulasi. Suhu pasteurisasi pada pemanas harus dicapai sebelum masuk holder/penahanan suhu untuk inaktivasi suatu mikroorganisme. Tujuan penelitian adalah memprogram simulasi penukar kalor tipe aliran paralel menggunakan data masukan sari buah tomat untuk menentukan dimensi dan mendapatkan capaian tampilan yang dikehendaki. Pada kondisi awal suhu konstan sebesar 65C dalam waktu 8 detik dengan panjang lintasan 1 meter dalam pasteurisasi
Buah tomat memiliki kelemahan yaitu umur simpan yang pendek dan relatif mudah rusak sehingga diperlukan penanganan yang baik setelah panen. Kerusakan ini umumnya disebabkan oleh aktivitas mikroorganisme yang tumbuh secara cepat pada saat temperatur yang sesuai. Pasteurisasi adalah pemberian panas yang relatif ringan, biasanya dikondisikan dibawah 100C dengan tujuan memperpanjang daya simpan dari makanan cair untuk beberapa hari (contoh susu) atau beberapa bulan (contoh buah dalam botol). Simulasi yang diawali melalui model matematika ini, diharapkan dapat
131
Jurnal Teknologi Pertanian Vol. 11 No. 2 (Agustus 2010) 131-137
BAHAN DAN METODE energi masuk energi keluar panas ditransfer energi tersimpan dgn fluidadingin dgn Fluida dingin ke dinding pada fluida panas
Alat dan Bahan Alat yang digunakan adalah seperangkat komputer personal tipe Pentium II dengan operasi di bawah sistem Windows 98. Perangkat lunak Turbo Pascal 7.0 dirilis oleh Borland International Incorporation. Bahan, dipersiapkan pada pada sistem pemanas dan tabung sari buah tomat.
c x x Tc m Tc cCc Tc m cCc Tc m x h c S Tw Tc u Ch t x L c
atau Tc Tc h S u uc c . c Tw Tc Cc L t x m Menurut Smith (1999) dengan asumsi tidak ada konduksi secara longitudinal pada dinding, tidak ada energi tersimpan pada fluida atau dinding (transients), tidak ada panas digenerasikan pada fluida dan dinding, dan tidak ada kehilangan energi ke lingkungan (eksternal) maka konservasi energi secara aliran paralel dapat dirumuskan berdasarkan Geankoplis (1983) sebagai berikut:
Metode Penelitian Penelitian yang dilakukan yaitu mencari dan mengumpulkan data, informasi-informasi dan konsep-konsep yang bersifat teoritis yang berkaitan dengan permasalahan. Kemudian dilakukan perancangan sistem (Suyatno. 2000), yaitu membentuk suatu kontrol volume kemudian disimulasi, sehingga dapat diimplementasikan kedalam bahasa program komputer. Hasil perancangan sistem yang telah dianalisis diimplementasikan ke dalam bahasa program Borland Pascal versi 7.0 untuk dibuat simulasinya. Tujuan yang ingin dicapai hasil simulasi komputer adalah ‘tampilan secara teoritis yang mendekati fakta’, ekspresinya dinyatakan dalam kecenderungan sebaran data dalam pembentukan pola grafik yang digambarkan (Toledo, 1981).
dTh US 1 T Tc hCh L h dx m dengan S = . Do. L, sehingga
dTh U..D T Tc N1 Th Tc Cp h dx m Untuk fluida yang akan dipanaskan (sari buah tomat):
dTc US 1 Th Tc dx m cCc L
Pembentukan Model Model yang dikembangkan pada penukar panas berdasarkan keseimbangan energi dan massa bahan (Bird et al., 1960).
atau
dTc UD T Tc N2 Th Tc Cp h dx m
Pada pemanas digunakan persamaan sebagai berikut: energi masuk energi keluar panas ditransfer energi disimpan fluida panas fluida panas menuju dinding pada fluida panas
h δx δx Th m Th h Ch Th m h Ch Th m δx h h S Ch Th Tw u x t L h
Th Th h S u uh h . h Th Tw Ch L t x m Pada sari buah berlaku persamaan:
132
Untuk menganalisis keseimbangan yang terjadi pada suatu pemanasan yang konstan (pemanas berasal dari steam) dapat dirumuskan persamaan keseimbangan energi yang hampir sama dengan analisis pada aliran paralel yang dirumuskan sebagai berikut: dTc US 1 T Tc cCc L s dx m
Model Simulasi Teknik Penukar Kalor untuk Pasteurisasi (Komar)
1 k1 2k2 2k3 k4 6 k1 h.f x n , y n
dengan nilai dari Th akan bernilai tetap, atau
y n 1 y n
dTc Di . h i Ts Tc M1 Ts Tc Cp dx m
k h k2 h.f x n , y n 1 2 2 k h k 3 h.f x n , y n 2 2 2 k 4 h.f x n h, y n k 3
Pemecahan persamaan tersebut yang berupa persamaan differensial berorde dapat dipecahkan menggunakan pemecahan numerik dengan metode Runge-Kutta orde-empat (Smith, 1999). untuk mendapatkan nilai kesalahan yang makin kecil dimana persamaan ini dapat dirumuskan sebagai berikut : dT F x, T dx
dengan y n+1 adalah sama dengan Ti + 1 Diagram alir proses untuk menghitung simulasi penukar kalor seperti ditunjukkan pada Gambar 1.
HASIL DAN PEMBAHASAN
dengan kondisi batas:
Pengujian Program Hasil pengujian program metode aliran paralel dengan data Cph=4,18 KJ/kgC, Cpc=4,007 KJ/kgC, hh=0,1597 2 h =0,023 kg/s, Do=0,023 m, W/m C, m
T(xo) = To Asumsi-asumsi Untuk mengembangkan model penukar kalor pipa, diperlukan asumsiasumsi sebagai berikut: 1. Kehilangan panas pada pipa pemanas dan bahan ke lingkungan diabaikan, 2. Konduksi aksial sepanjang tabung perubahan energi potensial dan kinetik diabaikan, 3. Panas spesifik dan koefisien pindah panas. Laju aliran fluida adalah konstan tiap titik dan 4. Komposisi kimia, sifat fisik dan sifat biologis bahan. Suhu sari buah tomat (bahan) pada awal proses adalah seragam.
m c =0,016 kg/s, hc=0,1575 W/m2C, Di= 0,02 m, L=4 m, dx=0,2, x0=0, Th0= 120C, Tc0=20C dapat dilihat pada Gambar 2. Dari hasil tersebut dapat diketahui sebaran akan mencapai nilai suhu yang konstan pada jarak 1,6 m dengan suhu pemanas 65,28C dan suhu sari buah tomat 65,27C. Untuk mencapai suhu ini ditempuh selama 12 detik. Pengaruh nilai konstanta N1 dan N2 metode paralel dan M1 metode pemanas konstan Nilai N1 (perbandingan variabel bebas luas pindah panas dengan selang x dengan aliran massa pemanas dan panas spesifik pemanas) dan N2 (hasil perbandingan variabel bebas antara luas pindah panas dengan selang x yang sama dengan aliran massa sari buah tomat dikalikan panas spesifiknya) merupakan gabungan nilai bebas yang menentukan besarnya sebaran suhu yang terjadi pada sebuah simulasi dan dari sebaran inilah memungkinkan perancang untuk membuat sebuah rancangan dengan masukkan yang lebih valid. Untuk memberikan data konstanta N1 dan N2 dapat menggunakan
Diagram Alir Proses Bila pada metode Runge-Kutta – 2 (Adams and Rogers, 1973), nilai koefisien perbaikannya adalah 2 buah, maka pada metode ini menggunakan 4 nilai koefisien perbaikan (yaitui K1, K2, K3 dan K4) yang diberikan sebagai berikut:
133
Jurnal Teknologi Pertanian Vol. 11 No. 2 (Agustus 2010) 131-137
Gambar 1. Diagram alir perhitungan teknis heat exchanger
trial dan error atau coba-coba. Tampilan
Gambar 4 dan 5 nilai N2 berubah sedangkan nilai N1 dibuat tetap. Data untuk optimasi sebaran suhu dapat dilihat pada Tabel 1-3 dan Gambar (2-5).
grafik dari metode ini dapat dilihat pada Gambar 2 dan 3 untuk nilai N1 berubah sedangkan nilai N2 dibuat tetap dan pada
No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Tabel 1. Sebaran data dengan N1= (h0..D0/mh.Cph) 2 Ho (W/m C) mh (kg/s) Cph (kJ/kgC) Do1(m) 0,1597 0,023 4,18 0,023 0,23 0,02 4,18 0,023 0,34 0,02 4,18 0,023 0,48 0,02 4,18 0,023 0,58 0,02 4,18 0,023 0,8 0,02 4,18 0,023 0,9 0,02 4,18 0,023 1 0,02 4,18 0,023 1,1 0,02 4,18 0,023 0,25 0,004 4,18 0,023 1,8 0,02 4,18 0,023
134
N1 0,120027 0,198792 0,293867 0,414871 0,501302 0,691451 0,777882 0,864314 0,950745 1,080392 1,555765
Model Simulasi Teknik Penukar Kalor untuk Pasteurisasi (Komar)
No 1 2 3 4 5 6 7
Tabel 2. Sebaran data dengan N2 = (hi..Di/mc.Cph) 2 Hi(W/m C) mh (kg/s) Cph(kJ/kgC) Do1(m) 0,1575 0,016 4,007 0,02 0,45 0,02 4,007 0,02 0,6 0,016 4,007 0,02 0,7 0,016 4,007 0,02 0,8 0,016 4,007 0,02 0,98 0,016 4,007 0,02 1,6 0,016 4,007 0,02
N2 0,154355 0,352812 0,58802 0,686023 0,784026 0,960432 1,568052
No 1 2 3 4 5 6
Tabel 3. Sebaran data dengan M1 = Ui..Di/mh.Cph) 2 Hi(W/m C) mh(kg/s) Cph(kJ/kgC) Do1(m) 0,1575 0,016 4,007 0,02 0,45 0,02 4,007 0,02 0,6 0,016 4,007 0,02 0,7 0,016 4,007 0,02 0,98 0,016 4,007 0,02 1,6 0,016 4,007 0,02
M1 0,154355 0,352812 0,58802 0,686023 0,960432 1,568052
Dengan membuat varibel bebas panjang 2 meter selang perubahan/iterasi sebanyak 20 kali dan kisaran 0,1 meter.
0,1 N1 0,8 N2 = 0,154
Gambar 2.
Gambar 4. Grafik sebaran suhu dengan nilai N1 bebas dan N2 = 0.58802
Sebaran suhu hasil running
program
Gambar 3. Grafik nilai sebaran suhu dengan nilai N1 pemanas berubah dan M1 sari buah = 0,154355
Gambar 5 Grafik sebaran suhu dengan N2 berubah dan N1 =0,198792
135
Jurnal Teknologi Pertanian Vol. 11 No. 2 (Agustus 2010) 131-137
DAFTAR PUSTAKA Adams, J.A and D.F. Rogers. 1973. Computer-Aided Heat Transfer Analysis. McGraw Hill Kogakusha, Tokyo Bird, R.B., W.E. Steward, and E.N. Lightfood. 1960. Transport Phenomena. John Wiley & Sons Inc, New York Geankoplis, C. J. 1983. Transport Processes and Unit Operations. Second edition. Allyn and Bacon, Inc. Boston Smith, E. M. 1999. Thermal Design of Heat Exchanger: A Numerical Approach – Direct Sizing and Stepwise Rating. John Wiley and Sons, England Suyatno. 2000. Studi Prototipe Alat Pasteurisasi Proses Penahanan (Holding) dengan Aliran Bahan Kontinyu untuk Inaktivasi Bakteri Clostridium pasteurianum dalam Sari Buah Tomat (Lycopersicum esculentum Mill.). Skripsi. Jurusan Teknik Pertanian, Universitas Brawijaya, Malang Toledo, R. T. 1981. Fundamentals of Food Process Engineering. AVI Publishing Company, Connecticut
Gambar 6. Grafik sebaran suhu dengan nilai N2 bebas dan N1=0,691451 Dari Gambar 3-6 dapat dilihat pengaruh nilai N1 berbeda dan N2 tetap atau antara nilai N1 tetap dan N2 yang berbeda akan didapatkan perbedaan yang dapat dilihat pada grafik tersebut. Dengan membandingkan antara nilai M1 = 0,154355 dan N2 = 0,58802 pada Gambar 2 dan 3 akan didapatkan bahwa dengan nilai N2 yang lebih besar akan didapatkan sebaran suhu yang lebih cepat naik dan konstan. Dilain pihak dari Gambar 4 dan 5 akan didapatkan dengan nilai N1 = 0,198792 akan didapatkan sebaran suhu yang cepat naik dan konstan. Adapun pada pemanas konstan didapatkan dengan semakin kecilnya nilai M1 akan didapatkan nilai sebaran suhu yang cepat naik dan konstan.
A C D Dh E(t) F
KESIMPULAN Secara teoritis hasil running program simulasi penukar kalor aliran paralel menggunakan data masukan sari buah tomat, didapatkan tampilan teknis pada rentang suhu 20C sari buah dan pemanas 100C pada pertemuan pada kisaran suhu 60C pada dimensi rentang jarak 0,2 m sepanjang 4 m lintasan selama waktu 8 detik. Penampilan proses yang direncanakan memberikan informasi tentang sebaran data menurut waktu dan koordinat tempatnya yang berguna bagi perencanaan dalam grafik yang terbentuk.
FT h K K L m M M1
136
DAFTAR SIMBOL 2 luas permukaan pindah panas (m ) kapasitas panas fluida (kJ/kg. C) diameter tabung (m) diameter hidrolik (m)
critical particle residence time Waktu pemanasan pada suhu yang diperlukan untuk untuk mencapai derajat sterilisasi yang dinginkan waktu pemanasan pada suhu yang diperlukan koefisien pindah panas konveksi 2 (W/m . C) konstanta runge kutta koefisein kontraksi panjang (m) aliran massa (kg/s) massa penukar kalor (kg) konstanta variabel bebas pemanas steady (sari buah) untuk mencapai
Model Simulasi Teknik Penukar Kalor untuk Pasteurisasi (Komar)
derajat sterilisasi yang diinginkan (menit) N1,N2 konstanta variabel bebas ak=liran paralel (pemanas, sari buah) Nu bilangan Nuselt Pr bilangan Prandtl 3 Q debit (m /s) q laju perpindahan panas (Watt) Re bilangan Reynold ri jari-jari dalam (m) 2 S luas penampang fluida (m ) SV sterilizing value atau nilai sterilisasi T suhu (C) t waktu u kecepatan aliran (m/s) V volume v kecepatan fluida dalam tabung (m/s) w kecepatan aliran massa (kg/s) x jarak (m) z thermal death time
3
z
berat jenis/densitas (kg/m ) 2 konduktifitas panas (m /s) perubahan jarak/panjang (m) thermal conductivity (W/kg.C) viskositas dinamik
a a c f h i ln ln loc loc o s x
aritmatik
SUBSCRIPT
137
average cold/dingin fluida hot/panas inlet /masuk kedalam logaritmik logaritma natural lokal lokal outer/ke luar steam/fluida pemanas perubahan secara aksial
