15 BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Pengertian refrigerasi
Refrigerasi adalah suatu sistem yang memungkinkan untuk mengatur suhu untuk mencapai suhu dibawah suhu linkungan. Penggunaan refrigerasi sangat dikenal pada sistem pendingin udara pada bangunan, transportasi, dan pengawetan suatu bahan makanan dan minuman, Refrigerasi dicapai dengan melakukan penyerapan panas pada suhu rendah secara terus menerus.
2.2 Sistem refrigerasi kompresi uap
Sistem refrigerasi uap merupakan dasar sistem refrigerasi yang digunakan dengan komponen utamanya adalah kompresor, kondensor, evaporator, dan alat ekspansi keempat komponen itu saling berhubungan dan menghasilkan siklus kompresi uap, pada sistem ini juga terdapat refrigeran atau fluida yang digunakan sebagai media penyerapan kalor dari kabin atau ruangan yang dikondisikan sistem.
Gambar 2.1 siklus sistem Refrigerasi Kompresi uap
16 Diagram p-h siklus refrigeran kompresi uap dapat digambarkan sebagai berikut:
Gambar 2.2 Siklus Sistem Refrigerasi pada Diagram p-h
2.2.1 Proses Kompresi
1. Kondisi awal pada saat refrigeran masuk dikompresor adalah uap jenuh bertekanan rendah.
2. Setelah dikompresi maka refrigeran menjadi uap superheat bertekanan tinggi.
3. Biasanya kerja kompresi persatuan massa refrigeran dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
Qw = h2 – h1 ... (1.1) besarnya daya kompresi yang dilakukan:
qw = Besarnya kerja kompresi yang dilakukan (kj/kg) h1 = Entalphy refrigeran pada saat masuk kompresor (kj/kg) h2 = Entalphy refrigeran pada saat keluar kompresor (kj/kg) Qw = Daya kompresi yang dilakukan (kW)
m = Laju masa aliran refrigeran (kg/s)
17 2.2.2 Proses Kondensasi (2-3)
1. Proses ini berlangsung dikondensor secara isobar (Tekanan Konstan).
2. Refrigeran yang bertekanan dan temperatur tinggi akan membuang kalor sehingga
fasanya akan berubah cair.
3. Hal ini berarti dikondensor terjadi penukaran kalor refrigeran dengan udara lingkungan
sehingga refrigeran mengembun menjadi cair.
4. Besarnya kalor persatuan massa refrigeran yang dilepaskan dikondensor dinyatakan sebagai berikut:
qc = h2 -h3... (1.3) besarnya kapasitas kondensor yang dilakukan:
qc = m x qc ... (1.4) Keterangan :
qc = Besarnya kalor yang dilepas kondensor (kj/kg)
h1 = Entalphy refrigeran pada saat masuk kondensor (kj/kg) h3 = Entalphy refrigeran pada saat keluar kondensor (kj/kg) Qc = Kapasitas pembuangan panas (kW)
m = Laju masaaliran refrigeran (kg/s) 2.2.3 Proses Ekspansi (3-4)
1. Proses ini berlangsung secara iso-Entalphy, dimana hal ini tidak terjadi penambahan atau pengurangan entalphy tetapi terjadi drop tekanan dan penurunan temperatur
Proses penurunan tekanan terjadi pada katup ekspansi seperti kapiler, TXV dan DLL, yang berfungsi sekaligus untuk mengatur laju aliran refrigeran.
18 h3 = h4... (1.5) keterangan :
h3 = Entalphy refrigeran pada saat masuk ekspansi (kj/kg) h4 = Entalphy refrigeran pada saat keluar ekspansi (kj/kg) 2.2.4 Proses Evaporasi (4-1)
1. Proses ini berlangsung di evaporator secara isobar (tekanan konstan)
2. Refrigeran dalam wujud cair akan menyerap kalor dari benda/bahan yang akan didinginkan hingga menguap berubah fasa dari cair ke gas.
3. Besarnya kalor yang diserap evaporator adalah:
qe =h1 - h4 ... (1-6) besarnya kapasitas pendinginan yang dilakukan :
Qe= m x qc ... (1-7) Keterangan :
qe = Besanya kalor yang diserap evaporator (kj/kg)
h1 = Entalphy refrigeran pada saat masuk evaporator (kj/kg) h4 = Entalphy refrigeran pada saat keluar evaporator (kj/kg) Qe = Kapasitas pendinginan (kW)
m = Laju masaaliran refrigeran (kg/s)
19 2.3 Koefisien Unjuk Kerja ( COP )
Unjuk kerja sistem refrigerasi dinyatakan dengan perbandingan kalor yang diserap dievaporator ( efek refrigerasi ) terhadap kerja yang dilakukan disebut sebagai koefisien unjuk kerja ( COP )
Rumusnya : COPaktual = 𝑄𝑒
𝑄𝑤... (1.8) COPcarnot = 𝑇𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟
𝑇𝑘𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟−𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟... (1.9) Efisiensi ƞ = 𝐶𝑂𝑃𝑎𝑘𝑡𝑢𝑎𝑙
𝐶𝑂𝑃𝑐𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡 x 100%... (1.10)
2.4 Perhitungan Beban Pendingin pada Sistem Refrigerasi
Dalam rancang bangun sistem refrigerasi dilakukan perhitungan beban pendinginan untuk menentukan kapasitas peralatan yang dibutuhkan dalam sistem refrigerasi ada 4 beban pendinginan, beban total diperoleh dengan menjumlahkan ke 4 jenis sumber beban tersebut :
1. Beban kalor melalui dinding ( wall goin load )
Banyak nya kalor yang masuk keruangan refrigerasi melalui dinding karena adanya perbedaan temperatur antara lingkungan dengan ruangan refrigerasi tersebut, kalor yang masuk melalui dinding bisa dihitung dengan persamaan:
Qd = U.A.∆T ... ( 2.1 ) Keterangan :
Qd = Laju aliran kalor ( watt )
U = Luas permukaan dinding luar ( m2 )
A = Koefisien perpindahan kalor menyeluruh ( W/m2 . K )
∆T = Perbedaan temperatur melalui dinding ( K )
Beban kalor melalui dinding termasuk beban kalor melalui lantai dan atap .( Roy J.Dossat, principles of refrigeration, 1981 )
20 2. Menentukan Nilai Koefisien
Menentukan nilai koefisien perpindahan kalor menyeluruh (U) tergantung tergantung pada ketebalan bahan dinding, jenis bahan dinding dan kondisi udara (kecepatan udara). Dinding ruang refrigerasi biasanya terdiri dari beberapa lapisan (salah satunya lapisan thermal ), seperti ilustrasi dibawah ini :
Biasanya U dapat dihitung dengan persamaan :
1
𝑈 = +1
𝑓𝑖 + 𝑥1
𝑘1+𝑥2
𝑘2+ 𝑥3
𝑘3 𝑥𝑛 𝑘𝑛+ 1
𝑓𝑜 ... ( 2.2 ) Nilai fo dan fi dalam buku dossat 1981, sudah ditentukan yaitu fo 22,7 W/m2K dan fi 9,37 W/m2K pada tabel 10-1, dan untuk beban bahan yang tidak homogen biasanya diketahui nilai konduktifitasnya (C) sebagai pengganti konduktifitasnya (K) Hubungan C dengan K : C = 𝑘
𝑛... ( 2-3) Untuk mengganti x/k digunakan 1/C ni;ai k,f dan c bisa didapatkan ditabel (Roy J.Dossat, princples of refrigeration, 1981 ).
2.5 Perbedaan Temperatur
Perbedaan temperatur adalah selisih antara temperatur rancangan luar dengan dengan rancangan dalam, atau :
∆T = TRL – TRD... ( 2.4 ) Keterangan :
TRL = Temperatur rancangan luar (K) TRD = Temperatur rancangan dalam (K)
Temperatur rancangan luar tergantung pada posisi dari ruang refrigerasi, apakah terhubung dengan ruangan lain atau udara luar.
21 1. Beban pertukaran udara
Udara yang masuk keruang refrigerasi bisa menjadi beban bagi ruang tersebut, udara masuk kw ruang bisa sebagai ventilasi (sengaja) atau karena celah dan buka tutup pintu ruang. Besarnya pertukaran udara ( laju ilfiltrasi ) yang disebabkan oleh buka tutup pintu tergantung diantaranya pada:
1. Ukuran pintu
2. Frekuensi buka tutup
3. Lamanya pintu dibiarkan terbuka
4. Posisi pintu ( berhubungan dengan udara luar atau dengan udara ruangan ) 5. Kondisi aliran udara melewati pintu Dari pengalaman frekuensi dan lamanya
waktu pembukaan tergantung volume dalam ruangan dan jenis pemakaian, sehingga untuk memudahkan, berdasarkan pengalaman, besarnya pendekatan laju ilfiltrasi telah dibuat tabelnya (10-7,dossat). Besarnya beban pertukaran udara bisa dihitung dengan persamaan:
Qpu = I.∆H ... (2.5) Keterangan :
I = laju ilfiltrasi (L/s)
∆H = perubahan entalphy (kj/L)
Pada tabel tersebut yang dicantumkan adalah jenis pemakaian yang umum, untuk pemakaian yang berat nilainya harus ditambah 50% dari yang tercantum. Perubahan entalphy udara yang masuk ruangan pada temperatur luar ruangan, Dan temperatur dalam ruangan dan RH luar ruangan untuk menentukan perubahan entalphy yang dialami udara masuk keruangan refrigerasi bisa digunakan tabel (table 10-6, dossat).
2.6 Beban Pendinginan
Beban pendinginan adalah kalor yang dihasilkan oleh produk pada saat didinginkan, beban pendinginan pada alat ini adalah bahan pembuatan ice cream.
Beban penurunan temperatur, untuk menghitung besarnya beban kalor penurunan temperatur digunakan persamaan :
Qp = 𝑚.𝑐𝑝.∆𝑇
𝑛.36000... ( 2.6 ) Dengan : QP = Beban kalor penurunan produk ( k/W)
22 m = massa produk ( kg )
Cp = Kalor spesifikasi dari produk ( kj/kg.K )
∆T = Besarnya penurunan temperatur ( k )
n = chilling time waktu yang diperlukan untuk menurunkan temperatur dari temperatur yang diinginkan ( jam ).
( Roy J.Dossat, principles of refrigeration, 1981 ) 1. Beban lain lain
Yang termasuk kedalam kelompok beban lain lain adalah beban dari peralatan, beban yang diperlukan alat-alat listrik yang digunakan untuk membantu proses pendinginan produk.
Beban motor penggerak menggunakan persamaan sebagai berikut:
Qm = 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑂𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡 𝑘𝑊 𝑥 𝑓𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 ( 𝑡𝑎𝑏𝑒𝑙 10−13 )𝑥 𝑤𝑎𝑘𝑡𝑢
24𝑗𝑎𝑚 ... (2.7) (Roy J.Dossat, principles of refrigeration, 1981)
Kapasitas peralatan dan penggunaan faktor keamanan Untuk pemilihan peralatan, beban tersebut ditambah dengan faktor keamanan 50% atau 10% tergantung dari ketelitian data yang digunakan.
QP = Qdinding + Qproduk + Qpertukaran udara + Qlain lain... (2.8) QB = jumlah beban QT = QB + safety factor ( 5% atau 10% dari out )... (2.9)
Kapasitas peralatan yang dibutuhkan dihitung dengan persamaaan:
Q = 𝑄𝑡 𝑥 24
𝑅𝑇 ... (2.10) Keterangan :
Q = Kapasitas peralatan yang dibutuhkan (kW)
QT = Jumlah beban yang ditambah faktor keamanan ( 5% atau 10% dari jumlah tersebut )
RT = Jam operasi peralatan ( Running Time )
23 2.7 Dasar Teori mengenai Ice Cream
2.7.1 Sejarah Ice Cream
Awalnya ice cream terbuat dari es salju yang dicampur lemak susu, buah- buahan dan diberi berbagai macam adonan sehingga lembut dan nikmat. Sejarah kemunculan ice cream dipercaya berawal dari zaman kepemimpinan Kaisar Nero dari Romawi di tahun 64 masehi yang sudah menikmati ”ice cream” di zamannya, ia menyantap salju halus bersama campuran buah-buahan dan madu. Ada juga yang mengatakan ice cream ditemukan oleh bangsa cina sekitar 700 M. Hidangan dingin ini dijadikan persembahan bagi Kaisar Tang dari Dinasti Shang. Kaisar Tang yang seorang penggemar kuliner meminta para koki istana untuk membuat ice cream dari campuran salju. Kisah lain menceritakan, ice cream datang ketika adanya hubungan dagang antara cina dan italia. Marcopolo, sang penjelajah lautan membawa resep ice cream ke negaranya. Berbeda dengan resep aslinya, ice cream italia dikombinasikan dengan sirup dan campuran es. Ice cream ala italiano inilah yang kemudian dinikmati oleh Kaum Bangsawan Eropa dan menyebar keseluruh dunia.
Di Amerika, ice cream baru populer pada abad ke-19, seiring dengan penemuan mesin pembuat ice cream. Sebutan ice cream berasal dari para kolonis Amerika, berasal dari fase “iced cram” (Marshall and Arbuckle, 1996)
24 2.7.2 Pengertian Ice Cream
Ice creeam adalah produk pangan beku yang dibuat melalui kombinasi proses pembekuan pada bahan-bahan yang terdiri dari susu dan produk susu, pemanis, penstabil, pengemulsi, serta penambah citarasa ( flavor ). Ice cream biasa dikonsumsi sebagai makanan selingan ( desert ) dan dikelompokkan dalam makanan camilan (snack). Prinsip pembuatan ice cream adalah memebentuk rongga udara pada campuran bahan ice cream atau ice cream mix (ICM) sehingga diperoleh pengembangan volume yang memebuat ice cream menjadi lebih ringan, tidak terlalu\ padat, dan mempunyai tekstur yang lembut (Padaga dan Sawitri, 2005).
Ice cream makanan yang mengandung lemak, protein, kartbohidrat, vitamin, dan mineral. Menurut SNI ice cream adalah sejenis makanan semi padat yang dibuat dengan cara pembekuan dan pembekuan untuk ice cream dengan temperatutur -8 sampai -15˚C.
2.7.3 Komposisi Ice cream
Menurut Eckles, et.al (1998) bahan penyusun Ice cream ialah:
Tabel 2.1 Komposisi Ice cream
Komposisi Jumlah
Lemak 10.0 - 12.0
Protein 3.8 - 4.8
Karbohidrat 20.0 - 21.0
Air 62.0 - 64.0
Total padatan 36.0 - 38.0
Mineral 0
Stabilizer 0.2 - 0.5
Emulsifier 0 - 0.3
25 2.7.4 Pembekuan
Pembekuan merupakan salah satu pengolahan/pengawetan dengan suhu rendah. Prinsip dasar pengawetan dengan menggunakan suhu rendah adalah memperlambat kecepatan reaksi metabolisme dan menghambat pertumbuhan mikroorganisme penyebab kebusukan dan kerusakan. Prinsip yang pertama dapat kita pahami karena setiap penurunan suhu sebesar 8˚C maka kecepatan reaksi metabolisme berkurang setengahnya jadi semakin rendah suhu penyimpanan maka bahan pangan akan semakin awet. Prinsip yang kedua akan efektif jika bahan pangan dibersihkan dulu sebelum didinginkan.
Hal ini dimaksudkan bahan pangan yang akan disimpan sedapat mungkin terbebas dari kontaminan awal, terutama mikroorganisme dari golongan psikrofilik yang tahan suhu dingin. Dapat disimpulkan bahwa menyimpan makanan pada suhu rendah (pada lemari es atau lemari beku) dapat mengurangi kerusakan makanan dan memperlambat proses pelayuan.
Suhu dingin juga membatasi tumbuhnya bakteri yang Kabel merahPembekuan adalah suatu unit operasi dimana suhu makanan dikurangi di bawah titik pembekuan dan bagian air mengalami perubahan untuk membentuk kristal-kristal es. Dengan pembekuan makanan dapat awet yang dicapai melalui kombinasi dari suhu rendah, berkurangnya perubahan gizi dan mutu organoleptik hanya sedikit apabila prosedur pembekuan dan penyimpanan diikuti.
(Sri Rini, 2008 )
