Untitled Document
BAB 10-11. PENDINGINAN HASIL PERTANIAN

Tujuan Instruksional Khusus

Mahasiswa mampu menjelaskan prilaku bahan pertanian terhadap proses pendinginan dan merancang kebutuhan coldstorage untuk keperluan penyimpanan dingin bahan pertanian. Cakupan dari pokok bahasan ini meliputi analisa data pendinginan, pendugaan laju dan waktu pendinginan, konsep dasar penyimpanan dingin, perhitungan beban pendinginan, disain  dasar coldstorage

A. Pendahuluan

Kegunaan umum pendinginan adalah untuk pengawetan, penyimpanan dan distribusi bahan pangan yang rentan rusak.  Kelayakan bahan pangan untuk dikonsumsi dapat diperpanjang dengan penurunan suhu, karena dapat menurunkan reaksi dan penguraian kimiawi oleh bakteri.  Pendinginan maupun pembekuan tidak dapat meningkatkan mutu bahan pangan, hasil terbaik yang dapat diharapkan hanyalah mempertahankan mutu tersebut pada kondisi terdekat dengan saat akan memulai proses pendinginan.  Hal ini berarti mutu hasil pendinginan sangat dipengaruhi oleh mutu bahan pada saat awal proses pendinginan.

Untuk dapat mempertahankan mutu bahan pangan, sangat penting diperhatikan proses penanganan dari mulai bahan pangan tersebut di panen/diolah, disimpan atau pada saat transportasi sampai ke tangan konsumen. Analisis rantai dingin (cold chain) dapat digunakan sebagai cara untuk mengetahui apakah bahan pangan tersebut ditangani secara benar atau tidak.  


Skema Cold chain

Penurunan mutu produk segar dapat dipengaruhi oleh :

  • Perubahan metabolic seperti penguapan, ethylene, tekstur dan aroma
  • Pertumbuhan dan pengembangan
  • Transpiration
  • Cacat
  • Kerusakan Physiologis
  • Busuk; pertumbuhan mikroba


Kondisi strowberi setalah 7 hari yang disimpan pada suhu 0, 5, 10 dan 15C

Yang harus diperhatikan dalam melakukan proses pendinginan yang baik adalah :

  • Waktu antara panen dan “pre-cooling”
  • Jenis karton, palet; ventilasi
  • Cara pendinginan dan waktu yang dibolehkan
  • Suhu produk sebelum didinginkan
  • Suhu produk akhir
  • Sanitasi dari sistem pendingin
  • Pelihara suhu produk

Dewasa ini dikenal beberapa metode pendinginan untuk bahan pangan, yaitu:

1. Air cooling
Air cooling menggunakan suhu pendingin lebih dari 0°C dengan debit udara 150m3/jam. Metode pendinginan air cooling dapat digolongkan menjadi:

a. Room cooling
Room cooling biasanya menggunakan ruang dengan insulasi yang dilengkapi dengan alat pendingin. Umumnya digunakan untuk berbagai macam produk segar tapi kurang efektif untuk segera memindahkan field heat produk

Cara penyimpanan produk dalam ruangan berpendingin sangat dipengaruhi oleh:

  • Debit aliran udara (diusahakan sekitar 100 cfm per ton produk)
  • Tumpukan produk
  • Ventilasi antar kotak
  • Suhu udara terendah

Penerapan metode pendinginan room cooling adalah untuk proses pendinginan produk pada skala kecil maupun besar


Roo cooling

b. Air forced cooling
Pada pendinginan air forced cooling, udara pendingin didorong dengan kipas. Udara bersirkulasi dengan kecepatan tinggi 75-90% lebih cepat dibanding room cooling. Penggunaan air forced cooling harus dengan pengontrolan RH  yang berkisar antara 90-98%. Metode pendinginan ini efektif untuk produk yang dikemas.


Air force cooling

2. Hydrocooling
Pada pendinginan hydrocooling, panas produk dipindahkan melalui media air. Metode ini banyak digunakan untuk sayuran untuk mempertahankan tekstur dan kesegaran daun dan dapat digunakan sekaligus untuk membersihkan produk dimana dapat dicampur dengan klorin sebagai disinfectant. Kelemahannya adalah sering terjadi mechanical injury dan hanya bisa digunakan untuk komoditi yang tidak sensitif terhadap air. Hydrocooling untuk sayur biasanya dilakukan setelah dikemas.


Hydrocooling

 

3. Vacuum Cooling

Pendinginan vakum adalah salah satu metoda yang umum digunakan untuk pra-pendinginan sayuran berdaun. Efek pendinginan terjadi akibat penguapan cepat sejumlah air dari bahan yang akan didinginkan pada ruang bertekanan rendah. Panas laten yang dibutuhkan untuk penguapan tersebut diambil dari produk itu sendiri sehingga terjadi penurunan panas sensibelnya dan sebagai akibatnya terjadi penurunan suhu. Pendinginan vakum sangat popular pada pra-pendinginan sayuran berdaun karena dua keunggulannya yang utama, yaitu laju pendinginan cepat dan sebaran suhu seragam pada seluruh bahan Efek pendinginan melalui panas laten penguapan. Metode pendinginan vakummerupakan metod ependinginan yang paling cepat. Tekanan udara di ruang pendinginnya berkisar 4.6 mm Hg. Metode pendinginan vakum banyak diterapkan untuk mendinginkan sayuran daun seperti lettuce, cabbage, wortel, pepper, jamur, cauliflower.

 


Vacuum cooling

 

 

B. Metode Analisis Data Pendinginan

Kebutuhan industri pendinginan terdiri atas tiga hal, yaitu prosedur analisa data pendinginan, prosedur penggunaan data pendinginan untuk merancang sistem refrigerasi, serta pengumpulan data dasar, sifat termofisik, dan sifat pindah panas antara bahan dengan mesin pendingin, sedemikian sehingga dapat menyediakan informasi yang dibutuhkan untuk merancang sistem pendingin yang diinginkan. Pada tulisan ini dijelaskan beberapa metoda analisa dan cara pemilihan metoda yang ada tersebut, sehingga dapat digunakan oleh para perekayasa bidang refrigerasi dan ahli ilmu pangan untuk keperluannya masing-masing.  Fokus utama diberikan pada proses pendinginan konduktif.

Pemilihan metoda analisa perlu mempertimbangkan antara pemecahan yang diturunkan secara pasti atau penggunaan grafik suhu-waktu secara aritmetik. Untuk menuju pada metoda analisa yang seragam, beberapa hal yang harus dipenuhi oleh suatu metoda analisis adalah:

  • Dapat diterapkan pada kisaran kondisi yang luas, dari pendinginan lambat dengan udara (air-cooling) hingga pendinginan cepat dengan pencelupan ke dalan cairan (hydro cooling).
  • Mampu menduga waktu pendinginan, serta menganalisa dan mengkorelasikan data waktu pendinginan tersebut.
  • Cukup mudah tetapi akurat untuk dipahami dan digunakan oleh perekayasa refrigerasi.
  • Mengandung pengertian fisik.
  • Mempunyai parameter yang minimum, dan variabel atau parameter yang tidak lebih banyak dari bilangan non-dimensional dalam sistem persamaannya.
  • Dapat membantu para perekayasa refrigerasi dan ahli ilmu pangan dalam mengukur sifat termofisik bahan pangan tertentu.

1. Metode Pemecahan Pasti

Pendinginan dapat dianggap sebagai proses penurunan suhu bahan dari suhu awal ke suhu tertentu di atas titik beku, yang merupakan proses tak-mantap (unsteady-state).  Salah satu faktor yang penting dalam analisa pindah panas tak-mantap adalah perbandingan antara tahanan di dalam dengan di luar bahan terhadap perpindahan panas tersebut, yang dalam bilangan tak-berdimensi dikenal dengan bilangan Biot  (NBi = hcl/k).  Dalam hal ini, hc adalah koefisien konveksi panas (W/m2.K), k adalah konduktivitas panas bahan (W/m.K), dan l adalah dimensi karakteristik bahan (m).  Berdasarkan faktor kunci tersebut, waktu pendinginan dapat diduga dengan tiga pendekatan, yaitu pendekatan yang mengabaikan tahanan dalam (internal), pendekatan yang mengabaikan tahanan permukaan, dan pendekatan dengan memperhitungkan keduanya.

  • Pendekatan yang mengabaikan tahanan dalam (internal)

Pendekatan ini menganggap bahwa tahanan terhadap pindah panas pada permukaan jauh lebih besar daripada di dalam bahan, atau NBi < 0.1.  Hal ini dapat terjadi saat pendinginan/pemanasan bahan dengan konduktivitas panas yang jauh lebih besar dari pada koefisien konveksi panas di permukaannya.  Pada kondisi tersebut, gradien suhu dalam bahan dapat diabaikan sehingga suhu di pusat bahan hampir sama dengan suhu di permukaannya.  Keseimbangan energi pada suatu benda yang mengalami pendinginan atau pemanasan secara tak-mantap, dapat dinyatakan dengan persamaan pendinginan Newton sebagai berikut:

                                                                                       (10-1)

Dengan pemisahan parameter, persamaan (10-1) dapat diintegrasi untuk mendapatkan:

                                                                                         (10-2)

Dengan memasukkan bilangan Biot  (NBi = hcl/k) dan Fourier (Fo = at/l2), dimanaa = k/rCp adalah difusivitas panas bahan (m2/det), ke persamaan (10-2) diperoleh:

                                                                                           (10-3)

  • Pendekatan yang mengabaikan tahanan permukaan

Untuk bahan biologik, yang pada umumnya mempunyai konduktivitas panas yang rendah, maka nilai bilangan Biot akan menjadi lebih besar.  Jika konduktivitas tersebut jauh lebih besar daripada pindah panas konveksi pada permukaan, maka pendugaan harus didasarkan pada asumsi tahanan dalam jauh lebih besar daripada tahanan permukaan (NBi > 40).  Hal ini menyebabkan laju pendinginan sangat tergantung pada jenis dan geometri benda yang didinginkan.  Perhitungan untuk suatu benda berbentuk lempeng tak-hingga dapat dikembangkan dari persamaan berikut:

                                                                                                  (10-4)
dimana x adalah tebal benda yang didinginkan (m).  Persamaan tersebut dapat dipecahkan menjadi:

                                                              (10-5)
Pemecahan untuk bentuk silinder tak-hingga dan bola, masing-masing ditunjukkan pada persamaan berikut:

Bentuk silinder tak-hingga:

                                                                (10-6)

dimana J0 adalah fungsi Bessel ordo ke-0, J1 adalah fungsi Bessel ordo ke-1, dan Rn adalah persamaan batas (boundary equation) ordo ke-n.

Bentuk bola:

                                                (10-7)

  •  Pendekatan yang memperhitungkan tahanan internal dan permukaan

Pendekatan ini digunakan apabila bilangan Biot mempunyai nilai antara 0.1 sampai 40.  Pendekatan ini menyiratkan bahwa kedua tahanan, baik tahanan dalam maupun permukaan mempunyai nilai yang cukup berarti, sehingga perhitungan dilakukan dengan mencakup kedua tahanan tersebut.  Untuk maksud tersebut, digunakan bagan yang mempermudah dalam perhitungan pindah panas.

2. Penggunaan Grafik Suhu-Waktu

Metoda grafik suhu-waktu dapat dibagai atas teraan (plot) aritmetik dan teraan eksponensial terhadap data suhu vs waktu.

a. Teraan Aritmetik.

Dua metoda yang digunakan secara luas untuk menampilkan data pendinginan dengan metoda teraan aritmetik adalah waktu paruh pendinginan dan laju pendinginan.

  • Waktu paruh pendinginan.
Jika sifat dan suhu pendinginan tetap, maka waktu yang diperlukan untuk menurunkan suhu bahan menjadi separuh dari nilai sebelumnya adalah tetap. Waktu tersebut disebut sebagai waktu paruh (th). Waktu paruh dapat diterapkan dalam penentuan kebutuhan waktu untuk menurunkan suhu 75% dari suhu awalnya, yaitu 2 kali waktu paruh (Gambar 10-1).

 

  • Laju pendinginan.

Jika suhu media pendingin tetap, koefisien pendinginan Cr atau laju spesifik , yang yang merupakan hasil bagi antara penurunan suhu dengan beda suhu rata-rata logaritmik dan waktu dapat dihubungkan dengan waktu paruh sebagai berikut :
Cr Z = ln 2 = 0,693


Jika suhu media pendingin tetap, waktu yang diperlukan untuk menurunkan suatu satuan suhu, atau penurunan suhu yang terjadi selama periode tertentu, dapat dilakukan dengan pemecahan aljabar atau secara grafik semi-log. Jika suhu pendinginan tidak tetap, suhu media pendingin harus ditentukan lebih dahulu agar proses pendinginan dapat dibagi terhadap periode suhu yang mendekati tetap dalam menentukan penurunan suhu tiap periode waktu tertentu.


Perhitungan waktu paruh atau laju pendinginan hanya memerlukan suhu pendinginan dan suhu produk pada dua waktu tertentu, dan hanya menggunakan satu parameter, sehingga perhitungan rancangan sangat sederhana.

b. Teraan Semi-Logaritmik.

Metoda ini didasarkan pada konsep bahwa teraan data pendinginan konduktif dalam bentuk log (T-T1) terhadap waktu membentuk garis lurus (Gambar 10-2).

  • Pendinginan Newtonian

Pendinginan Newtonian didasarkan pada hubungan

                                                                                           (10-8)

yang dapat dipecahkan menjadi


atau                                                                        (10-9)

Teraan log (T-T1) terhadap waktu adalah linier dan garis lurus yang dihasilkan dapat digambarkan dengan derajat kemiringan K. Pada kasus Newtonian, kesenjangan perpindahan kalor dari pusat ke permukaan bahan diasumsikan tidak terjadi, meskipun pada kenyataannya kesenjangan tersebut terjadi. Model pendinginan Newtonian merupakan dasar analisis pendinginan dengan tumpukan es, atau analisis beban pendinginan.
      

  • Pendekatan asimptotik

Terdapat dua jenis pemecahan dengan pendekatan asimptotik.  Pada jenis pertama, proses pendinginan dipecah menjadi waktu yang dibutuhkan oleh proses pendinginan tersebut untuk memengaruhi pusat bahan, (metoda Backstrom), atau waktu khayal dimana pendinginan menjadi mantap pada laju asimtotiknya (metoda Rutov), dan periode berikut dimana proses pendinginan mendekati logaritmik (Gambar. 10-3).

Text Box:

Pada metoda Backstrom                                                    (10-10)

Pada metoda Rutov                                                                                   (10-11)

Pada jenis kedua (metoda Baehr), perpotongan kurva dengan sumbu suhu ditentukan oleh rasio logaritma (basis e) pengganda tetap dari bagian pertama expansi deret dengan kuadrat dari akar pertama persamaan nilai batas,(ln j)/, dan ditentukan sebesar 0.10.

Ketiga metoda pemecahan tersebut memberi pendekatan untuk menyederhanakan pendugaan titik potong dan garis singgung dari asimptot garis lurus. Ketiga metoda tersebut, pada dasarnya, lebih bermanfaat untuk menduga laju pendinginan dari pada untuk mengkolerasikan data pendinginan.

  • Pemecahan asimtotik sesungguhnya.

Persamaan (10-12) dapat digunakan untuk menggambarkan proses pemanasan dan pendinginan bahan pangan dalam bentuk asimtot garis lurus terhadap kurva sebenarnya, jika data diterakan pada grafik semi-log. Parameter f (dalam satuan menit) adalah waktu untuk menurunkan suhu 90%, atau waktu yang dibutuhkan untuk melalui satu siklus logaritma pada bagian linier kurva. Parameter j adalah rasio beda suhu pada titik potong dengan beda suhu mula-mula yang sebenarnya.

                                                                                   (10-12)
 

 

Untuk menggunakan metoda ini, data suhu-waktu dari proses pindah kalor konduksi dapat diterakan dalam bentuk log ((T-T1)/(To –T1)) terhadap waktu, atau log (T – T1) terhadap waktu, atau T pada skala log (T – T1) + T1 terhadap waktu,  Kemudian, garis lurus terbaik yang mewakili asimtot dapat ditarik melalui titik data tersebut. Asimtot dapat dibentuk langsung dari kedua parameter f dan j, dengan asumsi data suhu awal dan akhir diketahui. Parameter f dan j seperti ditunjukkan pada Tabel 12-1 dapat diterapkan untuk konfigurasi geometri khusus, dengan catatan hambatan pindah kalor pada permukaan dapat diabaikan. Jika hambatan pindah kalor permukaan terlalu besar, parameter f dan j menjadi fungsi bilangan Biot.

Tabel 10-1. Persamaan yang menghubungkan laju pemanasan/pendinginan f, difusivitas termal a, dimensi objek dan nilai j pada pusat geometri (Pflug dan Blaisdel, 1963)


Bentuk objek

Persamaan

j pada pusat geometri

Balok

2.064

Lempeng tak-hingga

1.273

Silinder terhingga

2.040

Silinder tak-hingga

1.602

Bola

2.000

C.  Metode Analisis Korelasi Data Pendinginan dan Pendugaan Laju Pendinginan
     
Pflug dan Blaisdel (1963) juga memberi pemecahan eksak untuk pendekatan yang mengabaikan tahanan permukaan dalam bentuk deret tak-hingga yang konvergen.  Karena kekonvergenan deret tersebut berlangsung cukup cepat, maka pada nilai waktu yang cukup besar hanya elemen pertama yang bermakna. Pada kasus lempeng tak hingga, elemen pertama deret tersebut adalah:

                                                                    (10-13)

Jika log (T – T1) atau bentuk lain yang sesuai diterakan terhadap waktu, maka persamaan tersebut akan menghasilkan garis lurus. Pada nilai waktu yang besar, kurva yang dibentuk dari persamaan (10-13) akan memberi pendekatan yang memadai. Hubungan mendasar antara teraan suhu semi-log dengan kurva pendinginan berbentuk garis lurus inilah yang memberi dasar pada peneraan data pindah kalor konduktif transien pada berbagai bentuk log (T-TI) terhadap waktu dan penarikan garis lurus melalui titik-titik tersebut.
Persamaan diatas terdiri atas tiga bagian menarik. Bagian  merupakan titik potong asimptot garis lurus saat mempertimbangkan suhu pusat lempeng tak-hingga. Bagian  adalah 1,0 pada titik tengah (x = 0), yang mengatur dan menyesuaikan titik potong untuk kondisi pendinginan yang diukur pada jarak x dari sumbu koordinat (pusat lempeng tak-hingga berada pada sumbu koordinat). Bagian eksponen dari persamaan yang memuat fungsi waktu, juga merupakan pemecahan untuk persamaan dasar (fungsi bilangan Biot), difusivitas termal () dan a2 (kuadrat setengah ketebalan). Pada teraan log (T - TI) terhadap waktu, -adalah kemiringan sesungguhnya (tan j) asimtot garis lurus tersebut.  Pada tabel 10-2. dicantumkan perbandingan parameter kurva pendinginan pada pusat bahan untuk berbagai metoda.

Penerapan metoda Rutov agak rumit karena kesulitan dalam mengubah persamaan menjadi fungsi eksponensial sederhana, sedangkan metoda Backstrom lebih mudah tetapi kurang teliti. Dari segi perancangan laju pendinginan, metoda Ball dan Olson adalah yang paling tepat diikuti oleh metoda Baehr, Rutov dan Backstrom. Tetapi, peningkatan ketepatan tersebut juga diikuti oleh peningkatan kesulitan dan kerumitan penggunaannya.

D. Faktor yang perlu diperhatikan dalam pemilihan metode

           
Tiga kategori yang menjadi perhatian adalah metoda peneraan data, penggambaran arah kurva, dan penanganan fase senjangan waktu.

a. Metoda Peneraan Data, Sistem Koordinat dan Skala

Beberapa alternatif yang dapat dipertimbangkan dalam pemilihan metoda peneran data, termasuk sistem koordinat dan skala adalah:

  • Suhu vs waktu, secara aritmetik
  •  vs. waktu, secara aritmetik
  •  vs. waktu
  •  vs. waktu
  • T pada skala  vs. waktu

Pemilihan sistem koordinat serta sistem skala adalah penting dari sisi kegunaan metoda analisis. Koordinat persegi menawarkan kesederhanaan dan kemudahan dari sisi pengguna. Jika data suhu-waktu ditera pada koordinat persegi, kurva yang dihasilkan dapat digunakan untuk mengkaji irregularitas, maksima atau minima, dan membandingkannya terhadap data lain yang ditera dengan cara yang sama. Jika kurva ditera pada koordinat semi-logaritma, beberapa sifat yang tidak tampak pada koordinat persegi dapat dikaji, dan berbagai informasi dapat digali. Sistem skala pada koordinat semi-log dapat dilakukan dalam berbagai bentuk, seperti pada gambar 10-a, b, dan c.



                        Gambar 10-4a.                         Gambar 10-4b.                             Gambar 10-4c.

Persamaan asimtot pada gambar 10-4a. adalah :

                                                                                                              (10-14)

Gambar 10-4b :                                                                     (10-15)

Gambar 10-4c :                                                          (10-16)

Pada Gambar 10-4a. ditera (T-Tm)/(Ta-Tm) terhadap t, pada Gambar 10-4b (T-Tm) terhadap t, dan pada Gambar 10-4c ditera T terhadap t. Skala suhu pada Gambar 12-4c dibentuk dengan menambahkan suhu media pendingin ke nilai skala log. Pada Gambar 10-4c, suhu media pendingin (Tm) dianggap 5°C, sehingga siklus berikutnya bernilai 15 dan 105°C. Dengan cara demikian, data suhu-waktu dapat ditera langsung pada grafik tersebut. Pada titik-titik data dapat ditarik garis lurus, dan nilai dapat dihitung sebagai waktu yang dibutuhkan untuk garis tersebut melintasi satu siklus logaritma. Nilai suhu dimana terjadi perpotongan dengan garis lurus yang ditarik adalah Ta, dan rasio intersep j = (Ta - TI)/(To - TI).

b. Penggambaran Arah Kurva

Alternatif untuk penggambaran arah kurva adalah kemiringan sebenarnya (tan j), parameter f, waktu paruh pendinginan Z, parameter K, dan tetapan waktu t. Pada Gambar 10-4, harus disepakati bahwa asimtot kurva pendinginan konduktif adalah garis lurus, dan jika nilai waktu cukup besar maka asimtot akan berhimpit dengan kurva pendinginan. Sehingga, berbagai metoda penggambaran arah garis seperti parameter f, waktu paruh Z, koefisien pendinginan C, tetapan waktu t, atau parameter K, merupakan kemiringan sebenarnya (tan j). Faktor konversi antar parameter tersebut adalah :
                              = 2.303/Cr
                              Cr= 0.693/Z
                              = 3.32 Z
Pemilihan parameter yang menunjukkan arah asimtot garis lurus tersebut harus dilakukan berdasarkan kemudahan, untuk mengantisipasi bahwa nilai tersebut akan menjadi alat yang digunakan untuk membentuk kurva pendinginan dalam menduga waktu pendinginan. Nilai parameter f dianggap lebih memudahkan, meskipun waktu paruh juga dapat digunakan, karena telah umum digunakan pada industri pengolahan pangan.

Tabel 10-2. Perbandingan parameter kurva pendingingan pada pusat bahan

Metoda   

Geometri

Pers. dasar              

Intersepa

Kemiringan (tanø)

Laju pendinginan

semua

-

1

 

Waktu paruh pending

semua

-

1

Pending Newtonian

semua

-

1

Leggett and Sutton

semua

-

Bump factor

Backstrom

lempeng

Rutov

lempeng

antilog

Rutov

silinder

antilog

Rutov

bola

antilog

Baehr

semua

S.d.. Ball and Olson

Ball

semua

-

   j

Ball and Olson     

lempeng   

Ball and Olson

silinder

Ball and Olson

bola

 

a Nilai intersep ;                Sumber: Pflug, I.J., and J.L. Blaisdell (1963)

Hal terpenting dari analisis kurva pendinginan adalah menghubungkan arah asimtot dengan ukuran bahan yang sedang didinginkan dan dengan karakteristik pindah kalor eksternal yang dinyatakan dengan bilangan Biot. Hubungan antara rasio  dengan bilangan Biot dapat digunakan untuk pembentukan kurva pendinginan jika karakteristik pindah kalor, dimensi bahan dan sifat termal bahan diketahui. Kurva pendinginan semi-log mempunyai sifat yang sangat berguna, misalnya kemiringan kurva pendinginan asimtotik adalah sama pada setiap titik pengukuran dalam bahan yang mengalami pendinginan konduktif. Jika pengujian dilakukan dengan ketelitian yang cukup, kurva asimtotik dapat digunakan untuk menentukan difusivitas termal dan koefisien pindah panas permukaan.

c. Penanganan Fase Senjangan Awal

Penanganan fase senjangan awal dapat dilakukan dengan alternatif berikut:

  • diabaikan (dianggap sama dengan 1,0)
  • dianggap sebagai peubah yang tergantung pada bentuk, posisi dan bilangan Biot.
  • dimasukkan dalam waktu paruh pertama atau 90% waktu pendinginan.

Sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 4, kurva dapat dilanjutkan hingga memotong sumbu tegak. Titik perpotongan  sama dengan 1,0 hanya jika tidak terjadi senjangan pindah kalor pada titik pengukuran. Tetapi, pada bahan dengan massa besar akan terjadi senjangan pendinginan, sehingga arah asimtot biasanya dilaporkan bersama-sama nilai titik potong tersebut. Jika bilangan Biot diplot terhadap nilai j pada pusat suatu lempeng akan tampak bahwa jika tahanan permukaan cukup besar maka nilai j pada pusat mendekati satu, tetapi akan meningkat sesuai dengan pengurangan tahanan permukaan.

Notasi :
A : luas permukaan bahan (m2)
2a : tebal lempeng tak-hingga (m)
Cp : kalor jenis bahan pada tekanan tetap (J/kg.K)
Cr : laju pendinginan atau koefisien pendinginan (-)
D : diameter bahan berbentuk silinder atau bola
f  : waktu yang diperlukan untuk asimtot kurva pendinginan melintasi satu siklus logaritma, yaitu untuk penurunan, 90% suhu pada bagian linier kurva pendinginan.
h  : koefisien pindah kalor permukaan
Jn(Rn) : fungsi Bessel orde ke-n untuk argumen Rn
j : faktor senjangan (Ta - TI)/(To -TI)
K : koefisien yang menunjukkan laju pendinginan
k : konduktivitas termal (J/m.K)
L : panjang karakteristik bahan pada arah aliran fluida (m)
r : jari-jari bola atau silinder (m)
T : suhu (K); To suhu awal, Tm suhu media, Ta suhu awal semu (bagian linier kurva pendinginan).
t : waktu (det)
x : jarak dari pusat bahan ke titik pengukuran (m)
V : volume bahan pada persamaan pendinginan Newton (m3), atau kecepatan fluida pada NRe (m/det)
Z : waktu paruh pendinginan
a : difusivitas termal (k/r Cp)
Rn : persamaan boundary akar ke-n
m : viskositas fluida
r : massa jenis (kg/m3)

Latihan

1. Jelaskan salah satu penyebab kenapa dinding suatu ruang penyimpan dingin (coldstorage) dapat mengalami pengembungan.  Apa yang dapat anda lakukan untuk mengatasi hal tersebut.

2. (a)  Jelaskan perbedaan antara pra-pendinginan (precooling) dengan penyimpanan dingin, (b) Kata kunci yang penting pada pra pendinginan adalah ”sesegera mungkin” dan ”secepat mungkin”, jelaskan pengertian kedua hal tersebut.

Test Formatip

1. Jelaskan secara singkat mengapa produk pertanian segar mengalami pengerutan jika disimpan di dalam ruang pendingin

2. Apa yang dimaksud dengan laju pendinginan? Mengapa penting untuk diketahui kalau kita akan menyimpan produk?

3. Jelaskan dengan singkat dua hal yang perlu anda perhatikan dalam merancang dinding suatu coldstorage.

4. Jelaskan kenapa pada evaporator mesin pendingin dalam suatu ruang penyimpanan dingin (coldstorage) sering ditemukan gumpalan es?  Kerugian apa yang akan disebabkan oleh pembentukan es pada koil evaporator dan sebutkan dua hal yang dapat dilakukan untuk mengatasinya.

5. Suhu koil evaporator di dalam ruang penyimpanan dingin (coldstorage) adalah -25 oC sedangkan suhu di luar ruangan adalah 27 oC dengan kelembaban 70%. Jika pintu ruang penyimpan dingin tersebut dibuka dan selama terbuka tersebut 2 kg udara masuk ke dalam ruangan, tentukan berapa banyak (kg) air yang akan terkondensasi di permukaan koil tersebut.

6. Dari data pendinginan diketahui bahwa waktu paruh pendinginan suatu produk adalah 40 menit. Suhu awal produk tersebut adalah 28°C dan suhu media pendingin adalah 4°C.

  • Tentukan tetapan laju pendinginannya
  • Tentukan suhu produk setelah 2 jam pendinginan

7. Markisa dengan ukuran jari-jari 3 cm didinginkan di dalam ruang penyimpan dingin yang bersuhu 5 oC. Difusivitas panas buah markisa adalah 1,2 X 10-7 m2/det, massa satu buah markisa adalah 100 gram, dan pada awalnya bersuhu 30 oC.

  • Hitung berapa waktu yang diperlukan untuk mendinginkan markisa tersebut ke suhu 10 oC menggunakan persamaan semi-empirik dengan asumsi bahwa markisa berbentuk bola.
  • Tentukan suhu bahan setelah 1 jam pendinginan (berdasarkan soal butir a)
  • Hitung berapa waktu yang diperlukan untuk mendinginkan markisa tersebut ke suhu 10 oC menggunakan nilai j = 1,8 dan f = 19,6 menit (hasil analisa data pendinginan)
  • Tentukan suhu bahan setelah 1 jam pendinginan (berdasarkan soal butir c)
  • Jelaskan perbedaan jawaban yang anda peroleh dengan cara (a) dan (c)

8. Sebuah perusahaan yang bergerak di bidang agribisnis memerlukan cold storage untuk keperluan pre cooling sayuran daun yang dipanennya. Tiap hari, luas panen sayuran adalah 0.8 ha dengan produktivitas 12 ton per ha. Perusahaan menentukan kriteria disain sebagai berikut: Panjang x lebar x tinggi = 12 x 12 x 3 m. Bahan dinding:  concrete 200 mm (k = 1.73 W/m K), Polyurethane 75 mm (k = 0.025 W/m K), dan plester 13 mm (k = 0.72 W/m K). Bahan atap dan lantai  : Concrete block 125 mm dan Corkboard 100 mm (U = 0.383 W/m2 K). Suhu awal produk adalah 30°C dan suhu akhir 5°C dengan lama pre cooling 12 jam. Beban pekerja adalah 4 orang yang bekerja 4 jam selama 12 jam waktu pre cooling (Beban orang pada suhu 5°C = 0.242 kW/orang). Sedangkan di dalam cold storage terdapat lampu 30 watt sebanyak 20 buah yang menyala 4 jam per hari.  Diketahui reaksi panas dari sayuran 0.129 W/kg, panas jenis sayuran 3.77 kJ/kg K. Hitunglah kapasitas pendinginan dari cold storage yang akan dibuat.

9. Jika 2000 kg produk dengan Cp = 2kJ/kg-K, yang mempunyai suhu awal 30oC, akan didinginkan menjadi 4oC, berapa panas (kW) yang dikeluarkan dari produk apabila proses tersebut harus berlangsung dalam 2 jam.   Jika untuk proses 4(a) tersebut digunakan udara bersuhu 2oC, dimana koefisien pindah panasnya 10W/m2-K, dan total luas permukaan produk 32m2, berapa waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikan proses pendinginan tersebut?

10. Proses pra-pendinginan apel dianggap berlangsung secara Newtonian, dan mengikuti persamaan  

Jika suhu media pendingin (Tm) yang digunakan adalah 0 oC, suhu awal apel (T0) saat masuk ke mesin pendingin adalah 25 oC.  Dalam waktu setengah jam (t) suhu apel telah mencapai 15 oC, tentukan:

  • Tetapan laju pendinginan (k) dalam satuan -/menit
  • Suhu apel setelah 1 jam
  • Waktu yang diperlukan agar suhu apel mencapai 5oC.

PUSTAKA

Bird, R.B., Stewart, W.E., Lightfoot, E.N., 1960, Transport Phenomena, Wiley International Edition, New York, USA
Gaffney, J.J., Baird, C.C., Chau, K.V., 1985, Methods for calculating heat and mass transfer in fruits and vegetables, Trans. ASHRAE, Vol. 91, pp. 333-352
Heldman, D.R., Singh, R.P., 1981, Food Process Engineering (2nd Edition), AVI Publishing Co., Connecticut, USA
Pflug, I.J., Blaisdell, J.L., 1963, Methods of analysis of precooling data, ASHRAE Journal, November, 1963