Perambatan Panas Kajian energi pengeringan beku dengan penerapan pembekuan vakum dan pemanasan dari bawah

11

2.3 Perambatan Panas

Laju perpindahan panas dan massa melalui lapisan kering bahan selama proses sublimasi sangat rendah akibat nilai konduktivitas termal dan permeabilitas uap air yang rendah Tambunan dan Manalu, 2000; Sagara, 2001. Pada Tabel 1 ditunjukkan nilai konduktivitas termal dan permeabilitas uap air pada lapisan kering cabe jawa selama pengeringan beku, serta pengaruh tekanan dan laju pembekuan pada nilai-nilai tersebut. Pada penelitian tersebut, pemanasan dilakukan dengan cara radiasi panas dari lempeng pemanas ke permukaan bahan, dan selanjutnya dengan cara konduksi melalui lapisan kering bahan ke permukaan sublimasi. Struktur lapisan kering yang berongga mempunyai konduktivitas panas yang rendah sehingga ketika beda suhu dan ketebalan bahan yang digunakan adalah sama, dengan rumus perpindahan panas konduksi, didapatkan laju perambatan panas menjadi lambat sehingga efisiensi energi pemanasan menjadi rendah. Tabel 1. Nilai konduktivitas termal dan permeabilitas uap air lapisan kering beku cabe jawa, sebagai pengaruh tekanan dan laju pembekuan Tambunan et al, 2001 Tekanan Pa Laju pembekuan cmh Ukuran rongga 10 -3 mm 2 Konduktivitas termal 10 -1 WmK Permeabilitas 10 -2 m 2 s 24.0 kisaran: 3.3 hingga 4.3 cmh 2.337 1.1 ± 0.1 1.2 ± 0.2 48.0 2.244 1.1 ± 0.1 1.0 ± 0.1 76.0 1.908 1.3 ± 0.1 5.6 ± 0.4 kisaran: 73.3 to 76.0 Pa 1.6 2.592 1.1 ± 0.0 6.7 ± 1.3 2.7 1.984 1.1 ± 0.2 5.6 ± 0.9 3.3 1.908 1.3 ± 0.1 5.6 ± 0.4 Berdasarkan kenyataan tersebut, pemanasan dengan perambatan panas melalui lapisan kering, dianggap kurang menguntungkan, sehingga pada penelitian ini akan dilakukan pemanasan melalui permukaan bawah bahan lapisan beku produk. Karena nilai konduktivitas panas lapisan beku lebih tinggi daripada lapisan kering, metode ini diharapkan akan meningkatkan laju penghantaran panas ke permukaan sublimasi. Akan tetapi, masalah lain yang akan 12 dihadapi adalah kemungkinan terjadinya peleburan es atau terjadinya collaps bahan beku mencair, bukan menyublim, sehingga perlu dicari mekanisme penyampaian panas yang efektip. Hal ini dilakukan misalnya dengan pembatasan jumlah panas yang dirambatkan melalui lapisan beku. Perpindahan panas dan massa terjadi secara simultan ketika dilakukan radiasi atau konduksi panas untuk mensublimasi es dan mengangkut uap air keluar produk secara permeasi. Oleh karena itu, ukuran produk yang dikering- bekukan akan sangat berpengaruh terhadap laju perpindahan panas dan massa ini. Cheng et al 2002 melakukan penelitian untuk menganalisa pergerakan lapisan permukaan es pada pengeringan beku dengan atau tanpa pemanasan dari bawah. Cheng mengunakan model shengpeck Sheng dan Peck 1975 dan model URIF King, 1971. Model ini mengasumsikan proses pengeringan dibagi menjadi dua tahap : 1. Air yang dapat dibekukan selama proses pembekuan akan tersublimasi dan dikeluarkan bersama sebagian air terikat selama proses pengeringan primer. 2. Pengeluaran air melalui difusi pada proses pengeringan sekunder. Model fisik pengeringan beku dengan pemanas atas ditunjukkan dengan Gambar 1.1, sedangkan model dengan pemanas atas dan bawah ditunjukkan dengan Gambar 2.3. Pada penelitian ini, pengertian pemanas dari atas adalah penyampaian panas melalui permukaan luar bahan yang telah mengalami pengeringan, sehingga panas merambat melalui lapisan kering ke lapisan sublimasi. Sementara itu pemanasan dari bawah adalah proses pemanasan yang menyebabkan panas merambat ke lapisan sublimasi melalui lapisan beku bahan. Gambar 2.3. Model fisik pengering beku dengan pemanas bawah Lapisan Sublimasi Pemanas Atas Pemanas Bawah Uap Bahan Kering Bahan Beku Panas Panas x = 0 x = L 13 Pada pengeringan beku dengan pemanasan atas dan bawah, panas dipindahkan ke lapisan sublimasi melalui lapisan kering dan melalui lapisan beku. Panas ini digunakan untuk sublimasi dan mengeluarkan sebagian air terikat Gambar 2.3. Pada pengeringan dengan pemanasan atas saja, suhu lapisan sublimasinya dianggap tetap sebesar T tb , sedangkan pada pengeringan dengan pemanasan atas dan bawah, suhu lapisan sublimasi , T X , akan naik dari T tb , pada x=0 ke T L pada x=L. T X = T tb + T L – T i XL n , 0 ≤ X ≤ L. [1] merupakan faktor approksimasi profil suhu interface. Sedangkan flux massa airnya, 1 L w dt dX W W N − = . [2] Berdasarkan Gambar 2.3, persamaan keseimbangan energi pada lapisan sublimasinya adalah s w X L f X s d H N X L T T k X T T k = − − + − [3] Dengan substitusi Persamaan 1 dan 2 ke Persamaan 3 maka akan didapat waktu pengeringan primer. Energi yang digunakan untuk pengeringan beku ini meliputi : energi pembekuan, energi pengeringan dan energi komponen pendukung seperti perangkap uap cold trap. Energi pembekuan produk dapat dihitung dengan Persamaan 4. f b i i i i f bh bh bh b T T Cp m L m T T Cp m Q − + + − = [4] Sedangkan energi pengeringan dihitung dengan Persamaan 5. sb a k a s sb sb T T Cp m H m Q − + = [5] Sementara itu untuk menghitung energi yang digunakan pada cold trap, digunakan pendekatan bahwa energi untuk menangkap uap ke dinding pipa tembaga cold trap koil adalah energi untuk mengubah uap menjadi lapisan es, atau kebalikan dari sublimasi. Dengan demikian energi cold trap per kg produk dapat diketahui dengan membaca nilai enthalpi h gi dari tabel uap. Selain itu, untuk menghitung Energi yang dibutuhkan untuk menghasilkan kondisi vakum digunakan Persamaan 6. dW v = V ch dp, [6] 14 sedangkan besarnya tekanan vakum pada detik tertentu ditunjukkan dengan Persamaan 7. st ch p t s o v p V t S exp p p p + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − − = [7] Dengan demikian maka Wv dihitung dengan mengintegralkan Persamaan 8 dari t o = awal pemvakuman sampai t ap = t akhir pemvakuman. [ ] ∫ + − − = dp p exp p p V Wv st Vch Sp st ch [8] Penyelesaian Persamaan 8 dilakukan dengan integral numerik menggunakan metode simpson. 15 III METODE PENELITIAN

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian