IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Secara umum di pabrik untuk produk minuman cup diproduksi hanya dua jenis produk yaitu jelly drink dan koko drink. Untuk produk jelly drink memiliki beberapa rasa yaitu apel, jambu, jeruk, dan anggur. Sedangkan untuk produk koko drink hanya memiliki dua rasa yaitu leci dan strawberry. Di dalam produk koko dan jelly terdapat nata yang berbentuk bongkahan – bongkahan kecil. Pada proses filling, pasteurisasi, pra-pendinginan, baik untuk produk jelly atau koko, keduanya berbentuk cair. Sedangkan sampai proses pendinginan untuk produk koko berbentuk cair dan untuk produk jelly sebagian kecil dari tiap-tiap cup produk sedikit terbentuk gel (padatan). Di dalam pembahasan ini bak pendingin dibedakan menjadi bak pra-pendingin dan bak pendingin. Di proses pasteurisasi dan pra-pendingin baik produk koko ataupun jelly mengalami perlakuan yang sama, yaitu memiliki kesamaan di sisi suhu output produk yang keluar dari kedua proses itu. Tetapi ketika sampai diproses pendinginan kedua produk ini mengalami perlakuan yang berbeda dari sisi suhu di media bak pendingin.
A. Bak Pasteurisasi a. Pola Sebaran Suhu Medium dalam Bak Pasteurisasi Pengukuran dilakukan menggunakan rancangan percobaan II (Gambar 13). Pengukuran dilakukan saat produk tidak masuk ke dalam bak pasteurisasi. Suhu mula-mula produk yang diambil pada saat air sudah di dalam bak (steam belum masuk). Kemudian steam dimasukkan dan pengukuran dihentikan pada saat titik – titik pengukuran sudah mencapai suhu 860 C. Steam yang digunakan keluar dari lubang – lubang pipa dan memanaskan air secara langsung. Jadi pindah panas yang terjadi secara konveksi (dari steam ke air). Suhu steam pada waktu memanaskan air ialah 1210 C.
24
Gambar 16. Pola Sebaran Suhu di Bak Pasteurisasi tanpa Produk Dari pengukuran didapat waktu pemanasan yang diperlukan untuk memanaskan air dari suhu 31.50 C ke suhu 860 C selama 5310 detik atau 88.5 menit. Gambar 16 menunjukkan bahwa titik keempat merupakan titik terlama menerima panas atau titik terlama yang mencapai suhu 860 C. Sedangkan titik tercepat menerima panas ialah titik kedua. Pada saat titik keempat mencapai suhu 860 C maka titik kedua sudah mencapai suhu 88.60 C. Sehingga selisih suhu yang terjadi sebesar 2.60 C. Karena selisih suhu yang di bak yang relatif berbeda (2.60 C) dan waktu pemanasan yang relatif lama (88.5 menit) maka akan dilakukan perbaikan desain dari bak pasteurisasi. Perbaikan diharapakan dapat memperkecil perbedaan suhu di dalam bak dan mempercepat waktu pemanasan. Diharapkan waktu pemanasan setelah modifikasi bisa di bawah 60 menit. Langkah modifikasi atau perbaikan yang akan dilakukan ialah dengan menambah jumlah pipa steam. Pipa steam yang ada saat ini berjumlah dua, dan akan dimodifikasi dengan menambah jumlah pipa menjadi lima (Gambar 17, gambar lengkapnya di Lampiran 1 – 9). Perhitungan kebutuhan energi yang akan masuk ke air di dalam bak pasteurisasi dan akan meningkatkan suhu air seperti berikut ini :
25
Sekarang
Rencana Modifikasi Gambar 17. Piktorial dari Penambahan Pipa Steam di Bak Pasteurisasi
26
b. Energi Pemanasan Air Pra-Produksi di Bak Pasteurisasi Kecepatan steam
= 47 m/s
Diameter lubang steam = 0.005 m Debit steam (Q)
= 0.00049 m3/s
Massa jenis steam (ρ)
= 943.23 Kg/m3
Laju massa steam (m)
=Qxρ = 0.00049 x 943.23 = 0.463 Kg/s = 3132.05 Kg/jam
Suhu awal steam
= 1200 C
Suhu akhir steam
= 860 C
h awal steam
= 2706.5 KJ/Kg (Lampiran 10)
h akhir steam
= 2653.4 KJ/Kg (Lampiran 10)
Suhu awal air (To)
= 31.50 C
Suhu akhir air (Ta)
= 860 C
massa air (mair)
= 3419.83 Kg
Cp air
= 2.79 KJ/KgK
Massa steam (S)
= mair x Cp air x (Ta – To) / (h awal – h akhir) = 3419.83 x 2.79 x (86 – 31.5) / (2706.5 – 2653.4) = 6106.52 Kg
Waktu pemanasan (t)
= S/m = 6106.52/3132.05 = 1.95 jam = 117 menit
Perhitungan pipa steam existing Waktu pemanasan secara teori dari perhitungan = 117 menit Energi Pemanasan Steam (Q)
= S x (h awal – h akhir) = 6106.52 x (2706.5 – 2653.4) = 324256 KJ = 324.26 MJ
Perhitungan pipa steam modifikasi Pertambahan jumlah pipa
= 2.5 kali dengan yang existing sehingga laju massa steam bertambah 2.5 kali dengan semula
Massa steam (S)
= mair x Cp air x (Ta – To) / (h awal – h akhir) = 3419.83 x 2.5x2.79x(86 – 31.5)/(2706.5 – 2653.4)
27
= 15266.3 Kg Waktu pemanasan (t)
= S/m = 15266.3/(3132.05*2.5) = 0.78 jam = 46.8 menit
Energi Pemanasan Steam (Q) = S x (h awal – h akhir) = 15266.3 x (2706.5 – 2653.4) = 810640.5 KJ = 810.64 MJ Suhu medium setelah modifikasi Ta
= (Qsteam /mair x Cp air) + To = (810.64/3419.83 x 2.79) + 31.5 = 116.5 0C Dapat dilihat bahwa dengan penambahan pipa steam dapat mempercepat
waktu pemanasan tapi penggunaan energi steam menjadi lebih boros. Akan tetapi hal ini bisa berguna karena pada waktu pengukuran di lapangan sempat terjadi penundaan produksi, salah satunya karena waktu pemanasan yang relatif lebih lama. Dengan penambahan pipa steam juga membuat suhu media air di bak pasteurisasi menjadi relatif lebih seragam, hanya seberapa seragam harus dilakukan pergantian di pipa steam sesuai modifikasi dan dilakukan pengukuran. Perkiraan suhu medium setelah modifikasi sebesar 116.5 0C.
3. Energi Pemanasan Proses Pasteurisasi a. Pola Sebaran Suhu Selama Pasteurisasi Tabel 5. Sebaran Suhu Produk di Bak Pasteurisasi Waktu (detik) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Titik 1 (0C) 62.1 63.2 64.5 65.2 65.1 64.4 68.4 67.1 70.7 72.5
Titik 2 (0C) 61.4 63.3 63.0 65.1 65.6 66.1 68.6 68.1 69.0 70.0
Titik 3 (0C) 64.27 65.80 67.43 69.90 71.17 72.13 73.13 73.87 74.30 75.23
Trata-rata Trata-rata (0C) medium (0C) 62.6 84.4 64.1 84.3 65.0 84.8 66.7 84.4 67.3 84.3 67.6 84.0 70.0 84.2 69.7 84.5 71.3 84.0 72.6 84.1
28
100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210
74.1 69.8 75.60 72.3 70.2 76.63 75.0 70.2 77.33 75.4 73.6 77.30 74.2 73.5 77.37 75.5 73.7 79.27 75.3 75.1 78.47 74.6 76.4 79.00 76.4 76.8 79.93 74.8 77.1 80.27 76.2 79.6 80.47 76.8 79.5 81.83 T rata-rata medium (0C)
73.2 73.1 74.2 75.4 75.0 76.1 76.3 76.7 77.7 77.4 78.8 79.4
84.1 83.6 84.2 83.6 84.2 83.9 83.8 83.9 84.4 84.7 84.5 84.5 84.2
Dari Tabel 4 dapat dilihat bahwa rata – rata suhu produk masuk ke bak pasteurisasi sebesar 62.60 C. Pada kenyataannya sewaktu kegiatan produksi yang biasanya suhu produk masuk ke dalam bak pasteurisasi kira – kira 700 C. Suhu produk pada waktu percobaan lebih rendah daripada biasanya karena pada waktu percobaan terjadi kerusakan di mesin cooking sehingga suhu produk keluar dari mesin cooking tidak terlalu panas. Sedangkan suhu media rata – rata didapat sebesar 72.30 C. Karena suhu produk masuk ke bak pasteurisasi yang lebih rendah sehingga untuk memanaskan suhu di dalam bak pasteurisasi akan memerlukan beban pemanasan yang relatif besar. Rata – rata suhu produk keluar dari bak pasteurisasi sebesar 79.40 C, yang berarti suhu rata – rata produk keluar tidak sesuai dengan yang ditargetkan, yaitu suhu output produk sebesar 820 C. Sedangkan dari ke – 9 titik percobaan hanya pada titik 6 tercapai suhu output produk lebih besar dari 820 C. Hal ini bisa terjadi karena suhu pada titik 6 merupakan suhu input produk tertinggi dari ke – 9 titik percobaan.
b. Panas yang Diterima oleh Produk per Cup Massa produk (m)
= 0.195 Kg
KA
= 94.8 %
Cp
= 0.0837 + 0.034*94.8 = 3.3069 KJ/KgK
29
T rata – rata medium
= 84.20 C
T rata – rata awal (To)
= 79.40 C (Tabel 4)
T rata – rata akhir (Ta)
= 62.60 C (Tabel 4)
q
= m*Cp* (Ta – To) = 0.195*3.3069*(79.4 – 62.6) = 10.8 KJ
Qtotal
= q x kapasitas produksi/siklus = 10.82 x 24240 cup/jam = 262254.4 KJ = 262.3 MJ
c. Efisiensi Pemanasan Cp air = a0 + a1T + a2T2 (Maroulis, 2003) = 9.97 x 102 + (-1.35) x 10-3 x 84.32 + 1.38 x 10-5 x 84.322 = 3.2 KJ/KgK Efisiensi Pemanasan =
Qtotal Qair
= Berat produk/jam x Cp produk x ΔT Berat air/jam x Cp air x (Tawal – Takhir) = 262254.4 56906.4 x 3.2 x (86 – 84.2) = 86.5%
d. Efisiensi Pemakaian Energi Efisiensi Pemakaian Energi = Qtotal Qsteam =
262254.4 S x (h awal – h akhir)
=
262254.4 324256
= 80.8%
30
Perhitungan dilakukan dengan menggunakan rancangan percobaan I (Gambar 14). Sensor termokopel dipasang di tiga titik di bak pasteurisasi kemudian satu sensor termokopel dipasang di produk mengikuti ketiga titik di bak pasteurisasi. Karena pasteurisasi terjadi pada suhu 860 C sehingga baik untuk produk koko dan jelly sama – sama berbentuk cair. Jadi data yang diambil hanya untuk produk jelly, karena diasumsikan pindah panas selama proses pasteurisasi untuk kedua produk dianggap sama.
Gambar 18. Pola Sebaran Suhu Produk Jelly di Bak Pasteurisasi Dari pengukuran didapat suhu rata-rata produk masuk ke bak pasteurisasi sebesar 62.60C dan suhu rata-rata produk keluar dari bak pasteurisasi sebesar 79.40C dengan suhu rata – rata air di dalam bak sebesar 84.20 C. Suhu terendah produk masuk ke bak pasteurisasi sebesar 61.40C (pada titik 1) dan suhu tertinggi produk masuk ke bak pasteurisasi sebesar 64.70C (pada titik 3). Sedangkan suhu terendah produk keluar dari bak pasteurisasi sebesar 76.80C (pada titik 1) dan suhu tertinggi produk keluar dari bak pasteurisasi sebesar 81.80C (pada titik 3). Sehingga dari pengukuran, produk masuk dengan suhu terendah akan menjadi produk dengan suhu terendah ketika keluar dari bak pasteurisasi. Adanya perbedaan suhu produk keluar dapat disebabkan perbedaan suhu produk masuk. Atau mungkin terjadi karena produk yang jumlahnya tidak selalu tetap ketika
31
masuk ke bak sehingga perpindahan panasnya pun tidak tetap. Penyebab lainnya mungkin posisi produk lain yang berada di dekat produk yang diambil titik pengukurannya. Semakin banyak produk yang berada di dekat produk yang diambil sebagai data pengukuran maka panas yang seharusnya diterima produk yang diambil sebagai pengukuran jadi diterima oleh produk yang berada di sebelahnya. Dari pengukuran juga didapat rata-rata peningkatan suhu selama di dalam bak pasteurisasi (produk masuk hingga keluar dari bak) sebesar 16.80C. Dengan peningkatan suhu terkecil sebesar 14.60C (pada titik 1) dan peningkatan suhu terbesar sebesar 18.10C (pada titik 2). Bervariasinya peningkatan suhu ini juga dikarenakan jumlah produk di dalam bak pasteurisasi dalam satu siklus/batch yang tidak tetap. Setelah dilakukan pengkuran produk selanjutnya dilakukan perhitungan pindah panas dan konsumsi energi yang terjadi selama proses pasteurisasi. Dari perhitungan didapat rata-rata konsumsi energi per titik yang dibutuhkan dari mulai produk masuk ke bak pasteurisasi sampai keluar bak sebesar 10.8 KJ. Selanjutnya dilakukan perhitungan konsumsi energi per siklus pasteurisasi. Dari perhitungan didapat kapasitas produksi bak pasteurisasi per siklus sebesar 2464 cup. Sehingga didapat konsumsi energi per siklus pasteurisasi sebesar 262.3 MJ untuk 2464 cup produk. Dari perhitungan efisiensi pemanasan didapat efisiensi sebesar 86.5%. Adapun kehilangan panas kemungkinan terjadi karena panas lepas ke udara luar sehingga tidak dimanfaatkan untuk menaikkan suhu produk. Sedangkan untuk perhitungan efisiensi pemakaian energi didapat efisiensi sebesar 80.8%, ini artinya bahwa pemakaian energi yang digunakan untuk proses pasteurisasi masih baik.
e. Optimasi Lama Waktu Proses Pasteurisasi Diketahui : Tout produk (target)
= 820 C
KA
= 94.8 %
T medium (T air)
= 84.20 C
T∞ (T awal produk)
= 62.60 C
32
Massa produk
= 0.195 Kg
Diameter cup (d)
= 0.06 m
Tinggi cup (l)
= 0.085 m
A
= π x d x l = 3.14 x 0.06 x 0.085 = 0.016 m2
Tf
= (T∞ + Tair)/2 = (62.59 + 84.32)/2 = 73.470 C
V∞ (kecepatan konveyor) = 0.056 m/s μ
= 0.386 x 10-3 Kg/m s (Lampiran 11)
ρ
= 975.6 Kg/m3 (Lampiran 11)
ν
= μ/ρ = 0.38 x 10-3/975.56 = 3.95 x 10-7 m2/s
k
= 0.665 W/m. 0 C (Lampiran 11)
Pr
= 2.43 (Lampiran 11)
Re
= V∞ x d/ν = (0.05 x 0.06)/(3.95 x 10-7) = 8449 = 0.193 x Re0.618 x Pr1/3 (Lampiran 12)
Nu
= 0.193 x 84490.618 x 2.171/3 = 69.4 h
= Nu x d/k = 69.34 x 0.06/0.671 =769.4 W/m2K
Cp
= 0.0837 + 0.034*94.8 = 3.3069 KJ/KgK
Dicari : lama waktu proses pasteurisasi (t) = ? Jawab :
t = 7 menit
33
Target suhu output produk ialah 820 C. Dari pengukuran dapat dilihat bahwa dari ketiga titik pengukuran tidak ada titik pengukuran yang suhu output produknya sesuai target. Sehingga perlu dilakukan perhitungan secara teori untuk mencapai target suhu 820 C berapa suhu input yang harus dicapai. Dari perhitungan didapat bahwa minimal suhu input produk sebesar 62.60 C. Dengan suhu media sebesar 84.20 C dan proses pasteurisasi selama 7 menit.
Gambar 19. Pengambilan Produk di Bak Pasteurisasi
34
B. Bak Pra-pendingin
1. Energi Panas yang Diserap selama Pendinginan Tabel 6. Sebaran Suhu Produk di Bak Pra-pendingin Waktu Titik 1 (detik) (0C) 0 80.7 10 74.5 20 72.6 30 69.9 40 67.5 50 64.7 60 61.6 70 57.0 80 55.7 90 54.3 100 53.2 110 53.1 120 52.6 130 52.1 140 51.5 150 51.0 160 49.7 170 49.5 180 48.4 190 47.7 200 47.0 210 46.4 220 45.2 230 45.6 240 45.4 250 44.2 260 44.0 270 43.2 280 43.3 290 42.4 300 42.3 310 42.1 320 42.3 330 42.8
Titik 2 (0C) 80.6 77.3 73.5 70.1 67.5 64.2 61.2 59.6 58.0 56.6 55.2 54.0 52.7 51.6 49.8 49.3 47.8 46.7 45.8 45.1 44.9 45.0 44.4 44.6 44.1 43.8 44.9 43.3 42.8 43.2
Titik 3 (0C) 80.6 78.9 74.3 71.6 68.0 65.4 63.5 61.9 60.3 59.7 57.0 55.0 54.4 53.9 53.9 53.2 52.9 51.5 49.7 48.2 48.5 47.9 47.2 47.2 47.1 46.8 46.8 46.1 45.3 44.2 43.3 42.7 43.0 42.6
Trata rata (0C) 80.6 76.9 73.5 70.5 67.7 64.7 62.1 59.5 58.0 56.9 55.1 54.0 53.2 52.5 51.7 51.2 50.1 49.2 48.0 47.0 46.8 46.4 45.6 45.8 45.5 44.9 45.2 44.2 43.8 43.3 42.8 42.4 42.7 42.7
Trata - rata medium (0C) 40.0 39.6 39.5 39.7 40.1 40.2 40.2 40.4 40.4 40.3 40.7 40.6 40.6 40.6 40.6 40.8 40.8 40.7 40.5 40.4 40.5 40.1 40.4 40.4 40.5 40.2 40.0 39.6 39.3 39.3 39.4 39.3 39.2 39.2
35
340 350 360 370
42.0 42.3 42.3 41.1 41.8 42.0 41.4 42.6 Trata - rata medium (0C)
42.2 41.7 41.9 42.0
Massa produk (m)
= 0.195 Kg
KA
= 94.8 %
Cp
= 0.0837 + 0.034*94.8
39.3 39.3 39.3 39.4 40.2
= 3.3069 KJ/KgK T rata – rata medium
= 40.20 C
T rata – rata produk
= 51.90 C (tabel 5)
q
= m*Cp* (Tp – Tm) = 0.195*3.3069*(51.9 – 40.2) = 7.5 KJ
Qtotal
= q x kapasitas produksi = 7.5 x 24240 cup/jam = 182894.5 KJ = 182.9 MJ
2. Koefisien Kinerja Pendinginan (COP) Tc (Suhu air keluar dari pendingin) = 31.50 C = 304.5 K = 80.60 C = 353.6 K
Th COP
=
Tc Th – Tc
=
304.5 (353.6 – 304.5)
= 6.2 Setelah melewati proses pasteurisasi selanjutnya produk akan masuk ke bak pra-pendingin. Bak pra-pendingin dibuat agar tidak terjadi penurunan suhu yang terlalu besar jika produk langsung masuk ke bak pendingin sehingga tidak terjadi kerusakan fisik pada produk akibat penurunan suhu yang drastis. Pendinginan di bak precooling menggunakan air biasa dengan rata – rata suhu media air di bak sebesar 40.20C. Untuk menjaga agar suhu media stabil maka media air langsung mengalami sirkulasi. Air yang berada di media dikeluarkan melalui pipa ke bak
36
pendingin di pendingin tower kemudian dimasukkan lagi ke bak pra-pendingin. Proses pra-pendingin akan berlangsung 3 – 7 menit tergantung jumlah produk yang berada di dalam bak. Di dalam bak pra-pendingin tidak ada target suhu output produk yang akan dicapai, sehingga tidak dilakukan perhitungan optimasi suhu output produk. Pada bak pra-pendingin juga tidak dilakukan pengukuran bak tanpa produk sehingga perbaikan ke arah desain bak belum bisa dilakukan.
Gambar 20. Bak Pra-Pendingin
37
Perhitungan dilakukan dengan menggunakan rancangan percobaan I (Gambar 14). Sensor termokopel dipasang di tiga titik di bak pra-pendingin kemudian satu sensor termokopel dipasang di produk mengikuti ketiga titik di bak pra-pendingin.
Gambar 21. Pola Sebaran Suhu Produk Jelly di Bak Pra-pendingin Karena pra-pendingin terjadi pada suhu 40.20 C sehingga baik untuk produk koko dan jelly sama – sama berbentuk cair. Jadi data yang diambil hanya untuk produk jelly, karena diasumsikan pindah panas selama proses pra-pendingin untuk kedua produk dianggap sama. Suhu input produk diatur supaya berada di suhu 800 C, penentuan suhu 800 C sesuai dengan pengukuran di bak pasteurisasi yaitu suhu rata-rata output produk sebesar 79.40 C. Caranya dengan mencelupkan produk yang telah terpasang sensor termokopel terlebih dahulu ke bak pasteurisasi kemudian jika suhu input sudah tercapai, produk langsung dimasukkan ke bak pra-pendingin. Tentunya sewaktu pengambilan data di lapangan suhu input produk tidak tepat 800 C. Dari pengukuran didapat suhu rata-rata produk keluar dari bak pra-pendingin sebesar 420C. Suhu terendah produk keluar dari bak pra-pendingin sebesar 41.40C (pada titik 1) dan suhu tertinggi produk keluar dari bak pra-pendingin sebesar 42.60C (pada titik 3). Sehingga dari pengukuran, produk masuk dengan suhu terendah belum tentu akan menjadi produk dengan suhu terendah ketika keluar
38
dari bak pra-pendingin. Hal ini mungkin terjadi karena produk yang jumlahnya tidak selalu tetap ketika masuk ke bak yang berakibat lama produk di dalam bak belum tentu sama untuk setiap produk sehingga perpindahan panasnya pun tidak tetap. Atau mungkin posisi produk lain yang berada di dekat produk yang diambil titik pengukurannya. Semakin banyak produk yang berada di dekat produk yang diambil sebagai data pengukuran maka panas yang seharusnya diterima produk yang diambil sebagai pengukuran jadi diterima oleh produk yang berada di sebelahnya. Misalnya pada titik 1 (suhu keluaran produk sebesar 41.40 C) yang tercapai setelah pendinginan selama 370 detik atau 6 menit yang lebih lama dibandingkan pada titik 2 (suhu keluaran produk sebesar 43.20 C) yang tercapai dengan pendinginan selama 290 detik atau 4.8 menit. Dari pengukuran juga didapat rata-rata penurunan suhu selama di dalam bak pra-pendingin (produk masuk hingga keluar dari bak) sebesar 38.60C. Dengan penurunan suhu terkecil sebesar 37.40C (pada titik 2) dan penurunan suhu terbesar sebesar 39.30C (pada titik 1). Bervariasinya penurunan suhu ini juga dikarenakan jumlah produk di dalam bak pra-pendingin dalam satu siklus/batch yang tidak tetap sehingga lama waktu produk di dalam bak juga tidak sama. Setelah dilakukan pengukuran produk selanjutnya dilakukan perhitungan pindah panas dan
energi yang dilepas selama proses pra-pendingin. Dari
perhitungan didapat rata-rata energi lepas per titik yang dibutuhkan dari mulai produk masuk ke bak pra-pendingin sampai keluar bak sebesar 10.8 KJ. Selanjutnya dilakukan perhitungan energi lepas per siklus pra-pendingin. Dari perhitungan didapat kapasitas produksi bak pra-pendingin per siklus sebesar 2464 cup (kapasitas dianggap sama dengan kapasitas bak pasteurisasi, karena yang diambil kapasitas produksi per siklus). Sehingga didapat energi lepas per siklus pra-pendingin sebesar 658.7 MJ untuk 2464 cup produk. Dari perhitungan COP (Coefficient Of Performance) didapat nilainya sebesar 6.2. Artinya bak pra-pendingin mampu memindahkan 6.2 unit panas dari tiap unit energi yang dikonsumsi (sebagai contoh, misalnya pendingin ruangan mengkonsumsi 1KWh akan memindahkan panas dari ruangan sebesar 6.2 KWh).
39
Gambar 22. Pengambilan Produk di Bak Pra-Pendingin
C. Bak Pendingin Setelah produk keluar dari bak pra-pendingin selanjutnya produk akan masuk ke bak pendingin. Produk akan berada di bak pendingin selama 4.5 – 8 menit, tergantung jumlah produk yang berada di dalam bak. Proses pendingin menggunakan air yang didinginkan dari empat buah chiller tower. Ketika produk jelly masuk digunakan satu atau dua chiller tower untuk mengontrol suhu media, tapi ketika produk koko masuk semua chiller tower digunakan. Suhu media di bak pendingin dibuat berbeda tergantung produk yang masuk. Suhu media akan diatur stabil di suhu 310 C untuk produk jelly dan 190 C untuk koko. Hal ini dilakukan karena target suhu output produk jelly maksimal 370 C dan maksimal 270 C untuk produk koko. Suhu output koko dibuat lebih rendah agar nata yang berada di dalam produk melayang sehingga kelihatan bagus secara visual. Pada bak Pendingin perkiraan awal untuk produk jelly, sebagian besar jelly sudah berbentuk jelly sehingga terjadi pindah panas secara konduksi di dalam cup. Jadi, karena target suhu dan asumsi bentuk produk keluar dari bak yang berbeda untuk kedua produk maka dilakukan pengambilan data untuk kedua produk. Pengukuran untuk
40
sebaran suhu di bak pendingin tanpa produk belum dilakukan sehingga modifikasi untuk bak pendingin belum bisa dilakukan.
Gambar 23. Pengukuran di Bak Pendingin
1. Energi Panas yang Diserap selama Pendinginan untuk Produk Jelly Tabel 7. Sebaran Suhu Produk Jelly di Bak Pendingin Waktu (detik) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Titik 1 Titik 2 Titik 3 T rata-rata Trata-rata 0 0 0 0 ( C) ( C) ( C) ( C) medium (0C) 43.3 43.7 43.2 43.4 31.3 42.4 42.2 42.6 42.4 31.2 41.7 41.9 40.4 41.3 31.3 40.9 41.4 37.5 39.9 31.3 41.1 40.2 36.7 39.4 31.3 40.7 39.5 36.4 38.9 31.3 39.8 39.1 36.1 38.3 31.3 39.5 38.5 35.7 37.9 31.3 38.8 38.0 35.6 37.4 31.3 38.1 37.7 35.5 37.1 31.3 37.9 37.9 35.5 37.1 31.3 37.8 37.5 35.4 36.9 31.3
41
120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420
37.4 37.2 35.4 37.2 37.3 35.1 37.1 36.6 35.2 36.9 37.1 34.9 36.6 36.4 34.9 36.1 36.2 35.0 36.6 36.0 34.5 35.5 35.9 34.4 35.2 36.2 34.3 35.5 36.3 35.0 34.9 35.9 34.6 35.3 35.6 34.4 35.3 35.3 33.5 35.6 35.1 34.1 35.4 35.0 34.0 35.1 35.4 33.7 35.3 34.6 34.0 35.3 36.8 33.5 34.7 36.5 33.8 34.8 36.5 34.2 34.8 34.0 34.3 34.0 34.1 34.1 33.3 34.0 34.0 34.0 34.8 33.8 34.8 33.6 34.2 33.4 34.4 32.0 34.2 32.1 34.0 32.3 T rata-rata medium (0C) Suhu media = 31.490 C Massa produk
= 0.195 Kg
Cp
= 3.3069 KJ/KgK
36.7 36.6 36.3 36.3 35.9 35.8 35.7 35.3 35.2 35.6 35.1 35.1 34.7 34.9 34.8 34.8 34.6 35.2 35.0 35.1 34.4 34.2 34.1 33.7 34.0 34.3 34.2 33.8 33.2 33.2 33.2
31.3 31.3 31.3 31.3 31.3 31.3 31.3 31.2 31.2 31.2 31.2 31.2 31.2 31.2 31.2 31.2 31.2 31.2 31.2 31.2 30.6 31.3 31.4 31.1 32.0 32.0 32.1 32.1 32.1 32.0 32.1 31.4
Suhu rata – rata produk = 36.030 C (tabel 6) q
= m*Cp* (Tp – Tm) = 0.195*3.3069*(36.03 – 31.49) = 2.9 KJ
42
Qtotal
= q x kapasitas produksi = 2.9 x 24240 cup/jam = 123809.8 KJ = 123.8 MJ
2. Koefisien KinerjaPendinginan (COP) untuk Produk Jelly Tc (suhu air keluar dari pendingin)
= 200 C = 293 K
Th
= 43.80 C = 316.38 K
COP
=
Tc Th – Tc
=
299 (316.38 – 293)
= 12.31 Perhitungan dilakukan dengan menggunakan rancangan percobaan I (gambar 14). Teknik pengambilan data sama seperti di bak pra-pendingin.
Gambar 24. Pola Sebaran Suhu Produk Jelly di Bak Pendingin Suhu input produk diatur supaya berada di suhu 44 C, penentuan suhu 440 C sesuai dengan pengukuran di bak pra-pendingin yaitu suhu rata-rata output produk sebesar 43.80 C. Dari pengukuran didapat suhu rata-rata produk keluar dari bak
43
pendingin sebesar 33.90C dengan suhu rata – rata media sebesar 31.490 C. Suhu terendah produk keluar dari bak pendingin sebesar 32.30C (pada titik 1) dan suhu tertinggi produk keluar dari bak pra-pendingin sebesar 36.50C (pada titik 2). Sehingga dari pengukuran, produk masuk dengan suhu yang relatif sama belum tentu sama suhunya ketika keluar dari bak pendingin. Hal ini mungkin terjadi karena produk yang jumlahnya tidak selalu tetap ketika masuk ke bak yang berakibat lama produk di dalam bak belum tentu sama untuk setiap produk sehingga perpindahan panasnya pun tidak tetap. Atau mungkin posisi produk lain yang berada di dekat produk yang diambil titik pengukurannya. Semakin banyak produk yang berada di dekat produk yang diambil sebagai data pengukuran maka panas yang seharusnya diterima produk yang diambil sebagai pengukuran jadi diterima oleh produk yang berada di sebelahnya. Sebagai contoh pada suhu keluaran produk tertinggi sebesar 36.50 C ( pada titik 2) tercapai dengan pemanasan selama 310 detik atau 5 menit yang lebih cepat jika dibandingkan dengan suhu keluaran produk titik 7 ( 32.30 C) yang terjadi selama 420 detik atau 7 menit. Dari pengukuran didapat rata – rata penurunan suhu selama di dalam bak pendingin (produk masuk hingga keluar dari bak) sebesar 10.20C. Dengan penurunan suhu terkecil sebesar 7.20C (pada titik 2) dan penurunan suhu terbesar sebesar 10.90C (pada titik 3). Bervariasinya penurunan suhu ini juga dikarenakan jumlah produk di dalam bak pendingin dalam satu siklus/batch yang tidak tetap sehingga lama waktu produk di dalam bak juga tidak sama. Setelah dilakukan pengukuran produk selanjutnya dilakukan perhitungan pindah panas dan energi yang dibutuhkan untuk mendinginkan produk selama proses pendingin. Pada waktu pengukuran di lapangan ternyata ketika produk keluar di bak pendingin hanya sebagian kecil di dalam tiap produk yang berbentuk jelly (padatan), sehingga untuk perhitungan diasumsikan produk berbentuk cair. Sehingga pindah panas yang terjadi di dalam produk berupa konveksi. Dari perhitungan didapat rata-rata konsumsi energi per titik yang dibutuhkan dari mulai produk masuk ke bak pendingin sampai keluar bak sebesar 2.9 KJ. Selanjutnya dilakukan perhitungan konsumsi energi per siklus pendingin. Dari perhitungan didapat kapasitas produksi bak pendingin per siklus sebesar 2464 cup (kapasitas
44
dianggap sama dengan kapasitas bak pasteurisasi, karena yang diambil kapasitas produksi per siklus). Sehingga didapat konsumsi energi per siklus pendingin sebesar 123.8 MJ untuk 2464 cup produk/siklus. Dari perhitungan COP (Coefficient Of Performance) didapat nilainya sebesar 12.3. Artinya bak pendingin mampu memindahkan 12.3 unit panas dari tiap unit energi yang dikonsumsi (sebagai contoh, misalnya pendingin ruangan mengkonsumsi 1KWh akan memindahkan panas dari ruangan sebesar 12.3 KWh).
3. Suhu Output Produk Jelly selama Pendinginan Dari grafik pengukuran dapat dilihat bahwa semua titik – titik pengukuran telah mencapai target suhu output produk yaitu maksimal sebesar 370 C (suhu rata – rata output produk sebesar 33.90 C dan suhu output tertinggi sebesar 36.50 C). Sehingga untuk produk jelly tidak perlu dilakukan optimasi suhu.
4. Energi Panas yang Diserap selama Pendinginan untuk Produk Koko Tabel 8. Sebaran Suhu Produk Koko di Bak Pendingin Waktu (detik) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
Titik 1 Titik 2 Titik 3 Trata-rata Trata-rata (0C) (0C) (0C) (0C) medium (0C) 43.5 43.6 43.1 43.4 31.2 40.6 40.8 39.3 40.2 31.1 37.9 39.7 38.8 38.8 31.0 37.7 38.6 37.6 38.0 31.1 37.5 37.4 36.6 37.2 31.0 37.2 37.1 35.6 36.6 31.1 36.9 36.4 35.8 36.4 31.1 37.0 35.7 35.3 36.0 31.1 36.6 35.8 34.7 35.7 31.1 36.3 35.3 34.5 35.4 31.2 36.2 34.9 34.4 35.2 31.3 35.7 34.7 35.0 35.1 31.4 35.5 34.4 34.5 34.8 31.4 35.6 34.8 34.8 35.0 31.5 35.8 35.3 34.4 35.2 31.5 35.6 34.6 34.2 34.8 31.5 35.2 34.3 34.0 34.5 31.5 35.3 34.2 33.9 34.5 31.5 34.4 33.9 33.5 33.9 31.4
45
190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480
34.2 34.2 33.3 34.2 33.7 32.9 33.3 33.1 32.7 33.2 33.4 32.5 33.1 33.6 31.7 33.0 33.3 32.2 33.3 33.4 32.4 33.1 33.0 33.1 32.6 33.4 32.6 32.5 32.2 32.6 32.8 32.8 32.5 32.8 32.3 33.0 32.9 32.0 31.8 33.2 31.7 32.5 32.8 31.7 31.1 33.3 31.6 32.1 33.1 32.1 31.7 33.7 31.8 31.5 33.2 31.6 31.1 32.5 31.3 32.8 30.8 32.4 30.3 33.1 30.6 32.6 30.5 32.2 32.8 32.2 32.4 31.8 31.4 Trata-rata medium (0C) Suhu media air = 31.20 C Massa produk
= 0.195 Kg
KA
= 96%
Cp
= 0.837 + 0.034*96
33.9 33.6 33.0 33.0 32.8 32.8 33.1 33.1 32.9 32.4 32.7 32.7 32.2 32.5 31.9 32.3 32.3 32.3 32.0 31.9 31.8 31.4 31.9 31.6 32.2 32.8 32.2 32.4 31.8 31.4
31.7 31.6 31.7 31.6 31.6 31.7 31.8 31.7 31.7 31.7 31.2 31.3 31.2 31.1 31.0 31.0 30.9 30.8 30.9 30.5 30.5 30.9 30.9 30.4 30.7 29.9 31.0 31.3 31.0 31.2 31.2
= 3.348 KJ/KgK Suhu produk rata – rata = 33.90 C (Tabel 7) q
= m*Cp* (Tp – Tm) = 0.195*3.348*(33.9 – 31.2)
46
= 1.6 KJ Qtotal
= q x kapasitas produksi = 1.6 x 24240 cup/jam = 38003.5 KJ = 380.0 MJ
5. Koefisien KinerjaPendinginan (COP) untuk Produk Koko Tc (suhu air keluar dari pendingin)
= 200 C = 293 K
Th
= 43.80 C = 316.38 K
COP
=
Tc Th – Tc
=
293 (316.38 – 293)
= 12.3 Perhitungan dilakukan juga dengan menggunakan rancangan percobaan I (Gambar 14). Teknik pengambilan data sama seperti pengambilan data untuk produk jelly di bak pendingin. Suhu input produk juga sama seperti produk jelly yaitu 440 C. Pola sebaran ketiga titik pengukuran suhu produk yang dihasilkan sesuai dengan grafik di bawah ini.
Gambar 25. Pola Sebaran Suhu Produk Koko di Bak Pendingin
47
Dari pengukuran didapat suhu rata-rata produk keluar dari bak pendingin sebesar 32.20C dengan suhu rata – rata media sebesar 31.20 C. Suhu terendah produk keluar dari bak pendingin sebesar 30.50C (pada titik 2) dan suhu tertinggi produk keluar dari bak pra-pendingin sebesar 31.40C (pada titik 1). Sehingga dari pengukuran, produk masuk dengan suhu yang relatif sama belum tentu sama suhunya ketika keluar dari bak pendingin. Hal ini mungkin terjadi karena produk yang jumlahnya tidak selalu tetap ketika masuk ke bak yang berakibat lama produk di dalam bak belum tentu sama untuk setiap produk sehingga perpindahan panasnya pun tidak tetap. Atau mungkin posisi produk lain yang berada di dekat produk yang diambil titik pengukurannya. Semakin banyak produk yang berada di dekat produk yang diambil sebagai data pengukuran maka panas yang seharusnya diterima produk yang diambil sebagai pengukuran jadi diterima oleh produk yang berada di sebelahnya. Dari pengukuran didapat rata – rata penurunan suhu selama di dalam bak pendingin (produk masuk hingga keluar dari bak) sebesar 120C. Dengan penurunan suhu terkecil sebesar 120C (pada titik 3) dan penurunan suhu terbesar sebesar 13.10C (pada titik 2). Bervariasinya penurunan suhu ini juga dikarenakan jumlah produk di dalam bak pendingin dalam satu siklus/batch yang tidak tetap sehingga lama waktu produk di dalam bak juga tidak sama. Setelah dilakukan pengukuran produk selanjutnya dilakukan perhitungan pindah panas dan energi yang dibutuhkan untuk mendinginkan produk selama proses pendingin. Dari perhitungan didapat rata-rata konsumsi energi per titik yang dibutuhkan dari mulai produk masuk ke bak pendingin sampai keluar bak sebesar 1.6 KJ. Selanjutnya dilakukan perhitungan konsumsi energi per siklus pendingin. Dari perhitungan didapat kapasitas produksi bak pendingin per siklus sebesar 2464 cup (kapasitas dianggap sama dengan kapasitas bak pasteurisasi, karena yang diambil kapasitas produksi per siklus). Sehingga didapat konsumsi energi per siklus pendingin sebesar 380.0 MJ untuk 2464 cup produk/siklus. Pada tabel perhitungan konsumsi energi dapat dilihat adanya nilai q (pindah panas) yang tidak diisi. Hal ini dikarenakan pada waktu – waktu pengukuran tersebut suhu produk lebih kecil dibandingkan suhu rata – rata media. Hal ini bisa saja terjadi karena suhu media diambil suhu rata – rata sedangkan suhu produk
48
merupakan suhu aktual yang diukur tiap sepuluh detik. Sehingga untuk tidak mengganggu perhitungan besarnya nilai q dikosongkan. Oleh karena itu pula rata – rata konsumsi energi per titik dari produk koko lebih kecil daripada produk jelly yang pada akhirnya berdampak kepada lebih kecilnya total konsumsi energi per siklus dari koko dibandingkan produk jelly. Padahal seharusnya rata – rata konsumsi energi per titik dari produk koko harus lebih besar daripada produk jelly karena rata – rata suhu output produk koko lebih kecil daripada produk jelly. Dari perhitungan COP (Coefficient Of Performance) didapat nilainya sebesar 12.31. Artinya bak pra-pendingin mampu memindahkan 12.31 unit panas dari tiap unit energi yang dikonsumsi (sebagai contoh, misalnya pendingin ruangan mengkonsumsi 1KWh akan memindahkan panas dari ruangan sebesar 12.31 KWh).
6. Optimasi Suhu Medium Bak untuk Produk Koko di Bak Pendingin Diketahui : T air
= 31.540 C
Lama proses
= 4.5 menit
T∞ (T awal produk)
= 43.390 C
Massa produk
= 0.195 Kg
Diameter cup (d)
= 0.06 m
Tinggi cup (l)
= 0.085 m
A
= π x d x l = 3.14 x 0.06 x 0.085 = 0.016 m2
Tf
= (T∞ + Tair)/2 = (43.39 + 31.54)/2 = 37.450 C
V∞ (kecepatan konveyor) = 0.042 m/s μ
= 0.687 x 10-3 Kg/m s (Lampiran 11)
ρ
= 993.07 Kg/m3 (Lampiran 11)
ν
= μ/ρ = 0.687 x 10-3/993.07 = 6.92 x 10-7 m2/s
k
= 0.626 W/m. 0 C (Lampiran 11)
Pr
= 3.66 (Lampiran 11)
49
Re
= V∞ x d/ν = (0.042 x 0.06)/(6.92 x 10-7) = 3667 = 0.683 x Re0.466 x Pr1/3 (Lampiran 12)
Nu
= 0.683 x 84490.466 x 2.171/3 = 48.21 h
= Nu x d/k = 48.21 x 0.06/0.626 =503.68 W/m2K
Cp
= 0.0837 + 0.034*96 = 3.348 KJ/KgK
Dicari : Suhu medium (Tm) agar Tout = 270 C Jawab :
Tm = 260 C
7. Kebutuhan Jumlah Es Balok (M es) untuk Pendinginan Produk Koko Diketahui : M air
= 3627.74 Kg
Cp air
= 3.79 KJ/KgK
T awal air (T medium)
= 31.50 C
T akhir air
= 260 C
Cp es
= 4.21 KJ/KgK
T awal es
= 00 C
T akhir es
= 260 C
Massa 1 es balok
= 8.9 Kg
Ditanya
: Jumlah es balok yang dibutuhkan (M es)
Jawab
:
M es
= M air x Cp air x (T awal air – T akhir air) Cp es x (T akhir es – T akhir es) = 3627.74 x 3.79 x (31.5 – 26) 4.21 x (26 – 0)
50
= 692.28 Kg Jumlah es balok yang dibutuhkan = 692.28/8.9 = 78 es balok. Dari pengukuran dapat dilihat dari semua titik pengukuran tidak ada produk yang suhu keluarannya sesuai target, yaitu suhu keluaran maksimal sebesar 270 C. Secara logika tentu saja hal ini tidak akan terjadi karena rata – rata suhu media bak pendingin saja di atas 270 C (yaitu sebesar 31.540 C). Secara teknis di lapangan hal ini terjadi karena pada waktu pengambilan data ternyata 2 buah chiller tower mengalami kerusakan sehingga tidak bisa digunakan. Sebagai gantinya pihak pabrik memasukkan es balok ke chiller tower, tetapi mungkin jumlah es balok yang dimasukkan tidak memenuhi sehingga suhu media bak pendingin tetap di atas 270 C. Karena tidak tercapainya target suhu output produk maka dilakukan perhitungan secara teori berapa seharusnya suhu media dari bak pendingin agar target tersebut tercapai. Dari hasil perhitungan didapat bahwa suhu media di bak pendingin maksimal sebesar 170 C. Dengan suhu input produk sebesar 440 C dan lama proses 4.5 menit. Kemudian untuk menggantikan chiller yang rusak digunakan es balok sebagai pengganti untuk pendingin. Dari perhitungan didapat bahwa es balok yang dibutuhkan sebanyak 78 buah/jam untuk membuat suhu media berada di suhu 270 C. Jika grafik suhu produk selama proses pasteurisasi digabungkan akan menjadi seperti di bawah ini :
51
Pemanasan
Prapendinginan
Pendinginan
Gambar 26. Perubahan Suhu Produk Terhadap Suhu Medium Dari grafik dapat dilihat bahwa proses pasteurisasi terjadi dalam waktu 1000 detik atau 16.7 menit. Proses ini terdiri dari pemanasan selama 210 detik, prapendingin selama sekitar 390 detik, dan pendinginan selama 400 detik. Proses pemanasan dilakukan pada suhu 860 C, proses pra-pendinginan dilakukan pada suhu 400 C, dan pendinginan dilakukan pada suhu 31.50 C.
52
