pemanasan naik menjadi 810.64 MJ.
E. Metode Penelitian
2. Pengambilan Data Produk di Bak Pasteurisasi dan Bak Pendingin a Penentuan Rancangan Percobaan
Gambar 14. Distribusi Titik Pengukuran Suhu Air selama Proses Pasteurisasi Pipa steam atau pendingin
Air
Pipa pendingan atau pemanas
Keterangan :
a. No 1 s.d 9 merupakan titik-titik pemasangan termokopel di bak.
b. Pipa pendingin digunakan di bak pendingin dan bak pra-pendingin sedangkan pipa pemanas (steam) digunakan di bak pasteurisasi.
c. Pengukuran di produk mengikuti titik 1, titik 2, dan titik 3 mulai dari produk masuk sampai keluar bak sedangkan titik pengukuran suhu air di bak di kesembilan titik tersebut. Sehingga data – data yang diperoleh adalah data suhu produk di titik 1, titik 2, titik 3, dan rata – rata suhu air dari kesembilan titik pengukuran.
b. Persiapan bahan
1. Ambil cup yang akan digunakan kemudian periksa kondisi cup dalam keadaan baik (tidak berlubang) atau tidak.
2. Lubangi cup. Letak lubang sesuai dengan pindah panas yang akan terjadi (konveksi, konduksi, atau gabungan dari keduanya). Di dalam cup akan dimasukkan cairan dan butiran-butiran nata, sehingga pindah panas yang terjadi merupakan gabungan dari konveksi dan konduksi. Jadi posisi lubang dari cup diantara di bagian tengah dan 1/3 dari ketinggian cup dari bawah.
c. Pemasangan termokopel
1. Pasang sensor termokopel pada cup yang sudah dilubangi, kemudian tutup dengan seal silikon agar tidak bocor.
2. Pasang mur di bagian dalam cup dan menempel dengan termokopel kemudian kencangkan mur dengan kunci pas agar tidak bocor. 3. Isi cup dengan cairan dan nata. Kemudian cup ditutup dengan di-seal
menggunakan sealer semi otomatis.
4. Hubungkan termokopel yang terpasang dalam cup tersebut pada temperature recorder.
d. Pengukuran suhu
1. Letakkan tiga sensor termokopel di dalam bak sesuai dengan rancangan percobaan. Data logger system hanya mempunyai empat probe sehingga peletakkan termokopel di bak berjumlah tiga sensor
termokopel dan satu sensor termokopel di cup. Jadi satu termokopel dipasang di dalam cup dijalankan mengikuti titik 1, 2, dan 3 (tiga sensor termokopel yang berada di dalam bak). Begitu seterusnya sampai titik ke-9.
2. Letakkan cup tersebut dalam bak dan biarkan berjalan sesuai pergerakan konveyor di dalam bak sesuai titik – titik dalam rancangan percobaan.
e. Pencatatan data
1. Lakukan pencatatan data dan pembuatan plot suhu vs waktu. Pada waktu yang bersamaan dengan dimasukkannya cup, recorder dinyalakan. Pemanasan suhu 820 C tersebut dipertahankan selama 3.5 menit.
2. Lakukan pencatatan data mengenai : (a) suhu awal produk (initial temperature) dan jam (waktu) memasukkan cup ke dalam bak pasteurisasi; (b) suhu setiap waktu pemasakan (misalkan dicatat selama 10 detik).
3. Setelah periode pemasakan dilakukan, angkat cup tersebut kemudian lepaskan sensor termokopel dari cup.
4. Lakukan metode pengukuran yang sama untuk proses pra-pendingin dan pendingin dengan rancangan percobaan yang sama.
Tabel 4.Plot Suhu Terhadap Waktu Waktu (10 detik) T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 10 20 30 120 150 180 210 ... Dst
3. Perhitungan Energi dan Pindah Panas
1. Perhitungan dari laju pindah panas yang digunakan untuk proses pasteurisasi, pra-pendingin dan pendingin.
2. Perhitungan konsumsi energi yang digunakan selama proses pindah panas yang terjadi di bak pasteurisasi, bak pra-pendingin dan bak pendingin sehingga dapat diketahui besarnya energi yang diperlukan per siklus dari tiga proses.
Analisis laju pindah panas dan energi dengan menggunakan rumus: A. Perhitungan panas jenis produk
Cp = 0.0837 + 0.034 x KA
Dimana : Cp = Panas jenis produk (KJ/KgK) KA = Kadar air produk (%) B. Pendugaan suhu output produk
Dimana : T = suhu output produk (0C) Tm = suhu medium (0C) To = suhu input produk (0C)
U = overall heat transfer coefficient (W/m2K) A = luas permukaan (m2)
W = Berat produk (Kg)
Cp = Panas jenis produk (KJ/KgK)
C. Jumlah pindah panas dari medium ke produk q = m x Cp x (Tout – Tin)
Dimana : q = Laju pindah panas (W/m2) m = massa produk (Kg)
Cp = Panas jenis produk (Kg/KJ) Tout = Suhu keluar produk (0C) Tin = Suhu masuk produk (0C) D. Bilangan Reynold (Re)
Re = V∞ x d/
Dimana : Re = Bilangan Reynold V∞ = Kecepatan aliran (m/s) d = diamater penampang (m)
= Viskositas kinematik aliran (m2/s)
E. Perhitungan Nilai Koefisien Pindah Panas Konveksi (h) dari Air h = k x Nu/d
Dimana : h = Koefisien pindah panas konveksi (W/m2 C) k = Konduktivitas panas (W/m C)
Nu = Nusselt number d = diameter penampang (d)
4. Modifikasi Desain dari Bak Pasteurisasi dan bak pendingin
1. Dari data profil sebaran suhu vs waktu dan sebaran laju aliran fluida dari produk, dilakukan modifikasi desain dari bak pasteurisasi dan bak pendingin yang baru. Desain hanya sebatas berupa gambar teknik dengan menggunakan program Autocad atau sejenisnya.
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.
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 :
Gambar 17. Piktorial dari Penambahan Pipa Steam di Bak Pasteurisasi Sekarang
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) = Q x ρ
= 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)
= 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) Titik 1 (0C) Titik 2 (0C) Titik 3 (0C) Trata-rata (0C) Trata-rata medium (0C) 0 62.1 61.4 64.27 62.6 84.4 10 63.2 63.3 65.80 64.1 84.3 20 64.5 63.0 67.43 65.0 84.8 30 65.2 65.1 69.90 66.7 84.4 40 65.1 65.6 71.17 67.3 84.3 50 64.4 66.1 72.13 67.6 84.0 60 68.4 68.6 73.13 70.0 84.2 70 67.1 68.1 73.87 69.7 84.5 80 70.7 69.0 74.30 71.3 84.0 90 72.5 70.0 75.23 72.6 84.1
100 74.1 69.8 75.60 73.2 84.1 110 72.3 70.2 76.63 73.1 83.6 120 75.0 70.2 77.33 74.2 84.2 130 75.4 73.6 77.30 75.4 83.6 140 74.2 73.5 77.37 75.0 84.2 150 75.5 73.7 79.27 76.1 83.9 160 75.3 75.1 78.47 76.3 83.8 170 74.6 76.4 79.00 76.7 83.9 180 76.4 76.8 79.93 77.7 84.4 190 74.8 77.1 80.27 77.4 84.7 200 76.2 79.6 80.47 78.8 84.5 210 76.8 79.5 81.83 79.4 84.5 T rata-rata medium (0C) 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
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%
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
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
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) = 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/ = (0.05 x 0.06)/(3.95 x 10-7) = 8449 Nu = 0.193 x Re0.618 x Pr1/3 (Lampiran 12) = 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 :
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.
B. Bak Pra-pendingin
1. Energi Panas yang Diserap selama Pendinginan Tabel 6. Sebaran Suhu Produk di Bak Pra-pendingin
Waktu (detik) Titik 1 (0C) Titik 2 (0C) Titik 3 (0C) Trata - rata (0C) Trata - rata medium (0C) 0 80.7 80.6 80.6 80.6 40.0 10 74.5 77.3 78.9 76.9 39.6 20 72.6 73.5 74.3 73.5 39.5 30 69.9 70.1 71.6 70.5 39.7 40 67.5 67.5 68.0 67.7 40.1 50 64.7 64.2 65.4 64.7 40.2 60 61.6 61.2 63.5 62.1 40.2 70 57.0 59.6 61.9 59.5 40.4 80 55.7 58.0 60.3 58.0 40.4 90 54.3 56.6 59.7 56.9 40.3 100 53.2 55.2 57.0 55.1 40.7 110 53.1 54.0 55.0 54.0 40.6 120 52.6 52.7 54.4 53.2 40.6 130 52.1 51.6 53.9 52.5 40.6 140 51.5 49.8 53.9 51.7 40.6 150 51.0 49.3 53.2 51.2 40.8 160 49.7 47.8 52.9 50.1 40.8 170 49.5 46.7 51.5 49.2 40.7 180 48.4 45.8 49.7 48.0 40.5 190 47.7 45.1 48.2 47.0 40.4 200 47.0 44.9 48.5 46.8 40.5 210 46.4 45.0 47.9 46.4 40.1 220 45.2 44.4 47.2 45.6 40.4 230 45.6 44.6 47.2 45.8 40.4 240 45.4 44.1 47.1 45.5 40.5 250 44.2 43.8 46.8 44.9 40.2 260 44.0 44.9 46.8 45.2 40.0 270 43.2 43.3 46.1 44.2 39.6 280 43.3 42.8 45.3 43.8 39.3 290 42.4 43.2 44.2 43.3 39.3 300 42.3 43.3 42.8 39.4 310 42.1 42.7 42.4 39.3 320 42.3 43.0 42.7 39.2 330 42.8 42.6 42.7 39.2
340 42.0 42.3 42.2 39.3
350 42.3 41.1 41.7 39.3
360 41.8 42.0 41.9 39.3
370 41.4 42.6 42.0 39.4
Trata - rata medium (0C) 40.2 Massa produk (m) = 0.195 Kg
KA = 94.8 %
Cp = 0.0837 + 0.034*94.8
= 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 = 182.9MJ 2. Koefisien Kinerja Pendinginan (COP)
Tc (Suhu air keluar dari pendingin) = 31.50 C = 304.5 K
Th = 80.60 C = 353.6 K 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
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.
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
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).
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
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) Titik 1 (0C) Titik 2 (0C) Titik 3 (0C) T rata-rata (0C) Trata-rata medium (0C) 0 43.3 43.7 43.2 43.4 31.3 10 42.4 42.2 42.6 42.4 31.2 20 41.7 41.9 40.4 41.3 31.3 30 40.9 41.4 37.5 39.9 31.3 40 41.1 40.2 36.7 39.4 31.3 50 40.7 39.5 36.4 38.9 31.3 60 39.8 39.1 36.1 38.3 31.3 70 39.5 38.5 35.7 37.9 31.3 80 38.8 38.0 35.6 37.4 31.3 90 38.1 37.7 35.5 37.1 31.3 100 37.9 37.9 35.5 37.1 31.3 110 37.8 37.5 35.4 36.9 31.3
120 37.4 37.2 35.4 36.7 31.3 130 37.2 37.3 35.1 36.6 31.3 140 37.1 36.6 35.2 36.3 31.3 150 36.9 37.1 34.9 36.3 31.3 160 36.6 36.4 34.9 35.9 31.3 170 36.1 36.2 35.0 35.8 31.3 180 36.6 36.0 34.5 35.7 31.3 190 35.5 35.9 34.4 35.3 31.2 200 35.2 36.2 34.3 35.2 31.2 210 35.5 36.3 35.0 35.6 31.2 220 34.9 35.9 34.6 35.1 31.2 230 35.3 35.6 34.4 35.1 31.2 240 35.3 35.3 33.5 34.7 31.2 250 35.6 35.1 34.1 34.9 31.2 260 35.4 35.0 34.0 34.8 31.2 270 35.1 35.4 33.7 34.8 31.2 280 35.3 34.6 34.0 34.6 31.2 290 35.3 36.8 33.5 35.2 31.2 300 34.7 36.5 33.8 35.0 31.2 310 34.8 36.5 34.2 35.1 31.2 320 34.8 34.0 34.4 30.6 330 34.3 34.0 34.2 31.3 340 34.1 34.1 34.1 31.4 350 33.3 34.0 33.7 31.1 360 34.0 34.0 34.0 32.0 370 34.8 33.8 34.3 32.0 380 34.8 33.6 34.2 32.1 390 34.2 33.4 33.8 32.1 400 34.4 32.0 33.2 32.1 410 34.2 32.1 33.2 32.0 420 34.0 32.3 33.2 32.1 T rata-rata medium (0C) 31.4 Suhu media = 31.490 C Massa produk = 0.195 Kg Cp = 3.3069 KJ/KgK
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
Qtotal = q x kapasitas produksi = 2.9 x 24240 cup/jam = 123809.8 KJ = 123.8MJ
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
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