Desain dan Perhitungan Beban Pendingin untuk Cold Storage Apel: Panduan Komprehensif
Pendahuluan
Cold storage merupakan bagian vital dalam rantai pasokan produk pangan, terutama bagi buah-buahan seperti apel yang memerlukan kondisi suhu dan kelembaban terkendali agar tetap segar dalam jangka waktu lama. Ketika buah-buahan disimpan di lingkungan yang tepat, pertumbuhan mikroba berbahaya terhambat, dan kualitas serta nutrisi buah tetap terjaga. Namun, mendesain cold storage yang optimal bukanlah tugas sederhana. Salah satu elemen kunci dalam desain cold storage adalah perhitungan beban pendingin yang tepat. Beban pendingin ini menentukan kapasitas mesin refrigerasi yang dibutuhkan untuk menjaga suhu dan kelembaban ruangan sesuai spesifikasi.
Artikel ini akan membahas secara rinci tentang desain dan perhitungan beban pendingin untuk cold storage yang dirancang untuk menyimpan apel, menjaga suhu ruang pada 1°C. Fokus utama artikel ini adalah menghitung semua aspek beban pendingin yang memengaruhi performa cold storage, mulai dari beban panas transmisi, beban panas produk, beban panas internal, hingga beban panas infiltrasi. Sebagai studi kasus, kita akan menggunakan ukuran cold storage sebesar 8,0 x 5,0 x 4,0 meter yang dapat menyimpan hingga 30 ton apel secara permanen dan menerima 6 ton apel segar setiap harinya.
1. Perhitungan Beban Panas Transmisi
Salah satu komponen utama dalam perhitungan beban pendingin cold storage adalah beban panas transmisi. Beban ini berasal dari panas yang masuk ke dalam cold storage melalui dinding, atap, dan lantai. Faktor-faktor yang mempengaruhi beban panas transmisi termasuk suhu di luar ruangan, bahan insulasi yang digunakan pada dinding, atap, dan lantai, serta perbedaan suhu antara ruang luar dan ruang dalam cold storage. Semakin besar perbedaan suhu antara ruang dalam dan luar, semakin besar pula beban panas transmisi yang harus dikelola.
Dalam studi kasus ini, suhu di luar cold storage diasumsikan sebesar 30°C dengan kelembaban relatif 50%, sedangkan suhu di dalam cold storage harus dijaga pada 1°C dengan kelembaban relatif 95%. Untuk mengurangi beban panas yang masuk, dinding, atap, dan lantai cold storage diisolasi menggunakan panel insulasi berkualitas tinggi. Panel poliuretan dengan ketebalan 80 mm dan nilai U (koefisien transmisi panas) sebesar 0,28 W/m².K digunakan pada dinding dan atap, sementara lantai menggunakan pelat XPS dengan ketebalan 80 mm dan nilai U sebesar 0,42 W/m².K.
Rumus dasar yang digunakan untuk menghitung beban panas transmisi adalah sebagai berikut:
Q=U×A×(T0−Ti)×24/1000Q = U \times A \times (T_0 - T_i) \times 24 / 1000Q=U×A×(T0−Ti)×24/1000
Di mana:
- Q = beban panas (kWh/hari),
- U = nilai insulasi (W/m².K),
- A = luas permukaan (m²),
- T₀ = suhu luar (°C),
- Tᵢ = suhu dalam cold storage (°C),
- 24 = jumlah jam dalam sehari,
- 1000 = konversi dari watt ke kilowatt.
Perhitungan Luas Permukaan
Langkah pertama dalam menghitung beban panas transmisi adalah menentukan luas permukaan dinding, atap, dan lantai cold storage. Perhitungannya adalah sebagai berikut:
- Dinding 1 = 8m × 4m = 32 m²
- Dinding 2 = 8m × 4m = 32 m²
- Dinding 3 = 5m × 4m = 20 m²
- Dinding 4 = 5m × 4m = 20 m²
- Atap = 5m × 8m = 40 m²
- Lantai = 5m × 8m = 40 m²
Total luas permukaan dinding dan atap adalah:
32+32+20+20+40=144 m²32 + 32 + 20 + 20 + 40 = 144 \, \text{m²}32+32+20+20+40=144m²
Beban Panas Transmisi dari Dinding dan Atap
Dengan menggunakan rumus di atas, kita dapat menghitung beban panas transmisi dari dinding dan atap cold storage sebagai berikut:
Q=0.28×144×(30−1)×24/1000=28.06 kWh/hariQ = 0.28 \times 144 \times (30 - 1) \times 24 / 1000 = 28.06 \, \text{kWh/hari}Q=0.28×144×(30−1)×24/1000=28.06kWh/hari
Beban Panas Transmisi dari Lantai
Suhu di bawah lantai diasumsikan sebesar 10°C, sehingga perhitungan beban panas transmisi lantai berbeda dari dinding dan atap. Menggunakan rumus yang sama:
Q=0.42×40×(10−1)×24/1000=3.62 kWh/hariQ = 0.42 \times 40 \times (10 - 1) \times 24 / 1000 = 3.62 \, \text{kWh/hari}Q=0.42×40×(10−1)×24/1000=3.62kWh/hari
Sehingga, total beban panas transmisi harian adalah:
28.06 kWh/hari+3.62 kWh/hari=31.68 kWh/hari28.06 \, \text{kWh/hari} + 3.62 \, \text{kWh/hari} = 31.68 \, \text{kWh/hari}28.06kWh/hari+3.62kWh/hari=31.68kWh/hari
2. Perhitungan Beban Panas dari Produk
Selain beban panas transmisi, beban panas yang dihasilkan oleh produk yang disimpan dalam cold storage juga perlu diperhitungkan. Apel yang baru masuk ke dalam cold storage memiliki suhu yang lebih tinggi daripada suhu dalam cold storage itu sendiri. Dalam kasus ini, setiap hari sebanyak 6.000 kg apel dengan suhu awal 10°C akan dimasukkan ke dalam cold storage. Apel memiliki kapasitas panas spesifik sebesar 0,87 kkal/kg°C.
Rumus untuk menghitung beban panas dari produk adalah:
Q=m×Cp×(TP−Ti)/860Q = m \times C_p \times (T_P - T_i) / 860Q=m×Cp×(TP−Ti)/860
Di mana:
- Q = beban panas produk (kWh/hari),
- m = massa apel yang ditambahkan (kg),
- C_p = kapasitas panas spesifik apel (kcal/kg°C),
- T_P = suhu produk masuk (°C),
- Tᵢ = suhu dalam cold storage (°C),
- 860 = konversi dari kkal ke kWh.
Perhitungan Beban Panas untuk Apel
Q=6.000×0.87×(10−1)/860=54.6 kWh/hariQ = 6.000 \times 0.87 \times (10 - 1) / 860 = 54.6 \, \text{kWh/hari}Q=6.000×0.87×(10−1)/860=54.6kWh/hari
Beban Panas dari Respirasi Apel
Apel, seperti kebanyakan buah lainnya, terus melakukan respirasi setelah dipanen. Proses respirasi ini menghasilkan panas, yang juga harus diperhitungkan dalam perhitungan beban pendingin. Dalam kasus ini, kita menggunakan estimasi rata-rata panas respirasi sebesar 1.9 kJ/kg/hari.
Rumus untuk menghitung beban panas dari respirasi adalah:
Qresp=m×q/3600Q_{resp} = m \times q / 3600Qresp=m×q/3600
Di mana:
- Q_{resp} = beban panas respirasi (kWh/hari),
- m = massa produk yang disimpan (kg),
- q = panas respirasi produk (kJ/kg),
- 3600 = konversi dari kJ ke kWh.
Perhitungan Beban Panas Respirasi
Qresp=30.000×1.9/3600=15.9 kWh/hariQ_{resp} = 30.000 \times 1.9 / 3600 = 15.9 \, \text{kWh/hari}Qresp=30.000×1.9/3600=15.9kWh/hari
Dengan demikian, total beban panas dari produk adalah:
54.6 kWh/hari+15.9 kWh/hari=70.5 kWh/hari54.6 \, \text{kWh/hari} + 15.9 \, \text{kWh/hari} = 70.5 \, \text{kWh/hari}54.6kWh/hari+15.9kWh/hari=70.5kWh/hari
3. Perhitungan Beban Panas Internal
Beban panas internal berasal dari berbagai aktivitas yang terjadi di dalam cold storage, seperti kehadiran pekerja, lampu penerangan, dan motor kipas evaporator. Setiap sumber panas ini harus diperhitungkan untuk mendapatkan total beban pendingin yang akurat.
a) Beban Panas dari Pekerja
Dalam cold storage ini, diasumsikan dua pekerja akan bekerja selama 4 jam setiap hari. Panas yang dihasilkan oleh pekerja dihitung menggunakan rumus berikut:
Q=P×t×qp/1000Q = P \times t \times q_p / 1000Q=P×t×qp/1000
Di mana:
- Q = beban panas dari pekerja (kWh/hari),
- P = jumlah pekerja,
- t = waktu kerja (jam),
- q_p = panas yang dihasilkan per pekerja per jam (W).
Perhitungan Beban Panas dari Pekerja
Q=2×4×271/1000=2.16 kWh/hariQ = 2 \times 4 \times 271 / 1000 = 2.16 \, \text{kWh/hari}Q=2×4×271/1000=2.16kWh/hari
b) Beban Panas dari Lampu Penerangan
Cold storage menggunakan tiga lampu dengan daya masing-masing 120 W, yang dinyalakan selama 4 jam setiap hari. Beban panas dari lampu dihitung menggunakan rumus berikut:
Q=P×t×n/1000Q = P \times t \times n / 1000Q=P×t×n/1000
Di mana:
- Q = beban panas dari lampu (kWh/hari),
- P = daya per lampu (W),
- t = waktu nyala lampu (jam),
- n = jumlah lampu,
- 1000 = konversi dari watt ke kilowatt.
Perhitungan Beban Panas dari Lampu:
Q=120×4×3/1000=1.44 kWh/hariQ = 120 \times 4 \times 3 / 1000 = 1.44 \, \text{kWh/hari}Q=120×4×3/1000=1.44kWh/hari
c) Beban Panas dari Motor Kipas Evaporator
Evaporator merupakan komponen penting dalam sistem refrigerasi cold storage yang menggunakan kipas untuk mengalirkan udara dingin. Dalam studi kasus ini, motor kipas evaporator memiliki daya sebesar 500 W dan beroperasi selama 24 jam per hari. Beban panas dari kipas evaporator dapat dihitung menggunakan rumus berikut:
Q=P×t/1000Q = P \times t / 1000Q=P×t/1000
Di mana:
- Q = beban panas dari kipas (kWh/hari),
- P = daya motor kipas (W),
- t = waktu operasi kipas (jam),
- 1000 = konversi dari watt ke kilowatt.
Perhitungan Beban Panas dari Motor Kipas Evaporator:
Q=500×24/1000=12 kWh/hariQ = 500 \times 24 / 1000 = 12 \, \text{kWh/hari}Q=500×24/1000=12kWh/hari
Dengan demikian, total beban panas internal adalah hasil penjumlahan beban panas dari pekerja, lampu penerangan, dan motor kipas evaporator:
Qinternal=2.16 kWh/hari+1.44 kWh/hari+12 kWh/hari=15.6 kWh/hariQ_{\text{internal}} = 2.16 \, \text{kWh/hari} + 1.44 \, \text{kWh/hari} + 12 \, \text{kWh/hari} = 15.6 \, \text{kWh/hari}Qinternal=2.16kWh/hari+1.44kWh/hari+12kWh/hari=15.6kWh/hari
4. Perhitungan Beban Panas Infiltrasi
Beban panas infiltrasi terjadi ketika udara luar masuk ke dalam cold storage melalui celah pintu atau saat pintu dibuka. Udara luar yang hangat dan lembab membawa beban panas tambahan yang harus dihilangkan oleh sistem pendingin. Untuk menghitung beban panas infiltrasi, diperlukan data tentang frekuensi dan durasi pembukaan pintu, ukuran pintu, dan perbedaan suhu dan kelembaban antara udara luar dan dalam.
Rumus yang digunakan untuk menghitung beban panas infiltrasi adalah:
Qinfiltrasi=V×ρ×Cp×(T0−Ti)/1000Q_{\text{infiltrasi}} = V \times \rho \times C_p \times (T_0 - T_i) / 1000Qinfiltrasi=V×ρ×Cp×(T0−Ti)/1000
Di mana:
- QinfiltrasiQ_{\text{infiltrasi}}Qinfiltrasi = beban panas infiltrasi (kWh/hari),
- V = volume udara yang masuk (m³),
- ρ\rhoρ = densitas udara (kg/m³),
- CpC_pCp = kapasitas panas udara (kJ/kg°C),
- T0T_0T0 = suhu luar (°C),
- TiT_iTi = suhu dalam cold storage (°C),
- 1000 = konversi dari watt ke kilowatt.
Untuk studi kasus ini, diasumsikan bahwa pintu cold storage dibuka sebanyak 10 kali per hari dengan durasi pembukaan selama 1 menit setiap kali. Volume udara yang masuk diperkirakan sebesar 3 m³ per kali buka. Dengan densitas udara sebesar 1.2 kg/m³ dan kapasitas panas udara 1.005 kJ/kg°C, serta perbedaan suhu 29°C (suhu luar 30°C dan suhu dalam 1°C), perhitungan beban panas infiltrasi adalah:
Qinfiltrasi=3×1.2×1.005×(30−1)×10/1000=1.05 kWh/hariQ_{\text{infiltrasi}} = 3 \times 1.2 \times 1.005 \times (30 - 1) \times 10 / 1000 = 1.05 \, \text{kWh/hari}Qinfiltrasi=3×1.2×1.005×(30−1)×10/1000=1.05kWh/hari
5. Total Beban Pendingin Cold Storage
Setelah menghitung semua komponen beban panas, yaitu beban panas transmisi, beban panas dari produk, beban panas internal, dan beban panas infiltrasi, kita dapat menjumlahkan semuanya untuk mendapatkan total beban pendingin harian:
Qtotal=Qtransmisi+Qproduk+Qinternal+QinfiltrasiQ_{\text{total}} = Q_{\text{transmisi}} + Q_{\text{produk}} + Q_{\text{internal}} + Q_{\text{infiltrasi}}Qtotal=Qtransmisi+Qproduk+Qinternal+Qinfiltrasi Qtotal=31.68 kWh/hari+70.5 kWh/hari+15.6 kWh/hari+1.05 kWh/hari=118.83 kWh/hariQ_{\text{total}} = 31.68 \, \text{kWh/hari} + 70.5 \, \text{kWh/hari} + 15.6 \, \text{kWh/hari} + 1.05 \, \text{kWh/hari} = 118.83 \, \text{kWh/hari}Qtotal=31.68kWh/hari+70.5kWh/hari+15.6kWh/hari+1.05kWh/hari=118.83kWh/hari
Dengan demikian, total beban pendingin yang dibutuhkan untuk cold storage apel dalam kondisi ini adalah sekitar 118.83 kWh per hari.
6. Pemilihan Sistem Refrigerasi yang Tepat
Setelah mendapatkan total beban pendingin, langkah berikutnya adalah memilih sistem refrigerasi yang sesuai. Pemilihan sistem harus mempertimbangkan kapasitas pendinginan yang diperlukan, efisiensi energi, dan kebutuhan operasional lainnya. Sistem pendingin yang digunakan harus mampu menyediakan kapasitas pendinginan harian minimal 118.83 kWh/hari untuk menjaga suhu di dalam cold storage tetap pada 1°C.
Sistem refrigerasi yang umum digunakan untuk cold storage antara lain:
- Sistem Kompresi Uap: Menggunakan refrigeran seperti R-404A atau R-134a, sistem ini memiliki kompresor yang bekerja untuk memindahkan panas dari dalam cold storage ke luar.
- Sistem Absorpsi: Menggunakan energi panas sebagai sumber daya, sistem ini lebih hemat energi dalam kondisi tertentu.
- Sistem Pendingin Evaporatif: Cocok untuk aplikasi dengan kebutuhan pendinginan sedang, sistem ini memanfaatkan proses evaporasi air untuk mendinginkan udara.
Untuk cold storage berukuran sedang seperti yang dijelaskan dalam studi kasus ini, sistem kompresi uap dengan refrigeran yang ramah lingkungan dan efisiensi tinggi adalah pilihan yang tepat.
7. Faktor-Faktor Lain yang Mempengaruhi Desain Cold Storage
Selain perhitungan beban pendingin, ada beberapa faktor lain yang harus dipertimbangkan dalam desain cold storage untuk apel:
- Kelembaban Relatif: Apel memerlukan kelembaban relatif sekitar 90-95% untuk mencegah dehidrasi dan mempertahankan kesegarannya. Sistem humidifikasi mungkin diperlukan untuk menjaga kelembaban pada level yang tepat.
- Sirkulasi Udara: Sirkulasi udara yang baik sangat penting untuk mendistribusikan suhu dan kelembaban secara merata di seluruh ruangan.
- Pengendalian Etilen: Apel menghasilkan gas etilen yang mempercepat proses pematangan. Penggunaan filter atau sistem pengendalian etilen dapat membantu memperpanjang umur simpan apel.
- Pemeliharaan Sistem: Pemeliharaan rutin sistem pendingin, isolasi, dan peralatan cold storage lainnya sangat penting untuk menjaga efisiensi dan mencegah kerusakan produk.
Kesimpulan
Desain dan perhitungan beban pendingin untuk cold storage apel melibatkan berbagai faktor, mulai dari beban panas transmisi, beban panas produk, beban panas internal, hingga beban panas infiltrasi. Dengan menggunakan rumus dan data yang tepat, total beban pendingin dapat dihitung secara akurat, yang kemudian digunakan untuk memilih sistem refrigerasi yang sesuai. Selain itu, faktor-faktor lain seperti kelembaban, sirkulasi udara, dan pengendalian etilen juga harus diperhatikan untuk memastikan apel tetap segar selama penyimpanan.
Dengan mengikuti panduan ini, cold storage yang dirancang dengan baik dapat meningkatkan umur simpan apel secara signifikan, mengurangi kerugian, dan menjaga kualitas produk hingga sampai ke tangan konsumen.