Abstrak —Pamekasan merupakan kota dengan potensi yang besar dalam  bidang  peternakan,  yaitu  produksi  karkas  sapi.  Bahkan, proses ekspor sering dilakukan oleh masyarakat lokal ke berbagai daerah di luar Madura. Namun, mereka memilih cara yang salah dalam  proses  distribusi  karkas.  Mereka  mengirim  sapi  dalam keadaan  hidup  dan  melakukan  proses  penyembelihan  di  tempat tujuan.  Proses  ini  akan  lebih  baik  jika  karkas  terlebih  dahulu dibekukan.  Oleh  karena  itu,  dibutuhkan  desain cold  storage. Pamekasan  juga  memiliki  potensi  iradiasi  yang  cukup,  sehingga desain  menggunakan solar  collector jenis  datar.  Perancangan meliputi  konstruksi  dan  sistem  pendinginan,  yaitu  kombinasi refrigerasi kompresi uap dan absorpsi. Ammonia (R717) sebagai refrigeran dan Aquos-ammonia sebagai absorben-refrigeran pada absorpsi.  Hal  ini  bertujuan  agar  karkas  kapasitas  25  ton  dapat didinginkan  hingga  temperatur  -20 ℃ .  Variasi  yang  digunakan dalam  proses  perancangan  yaitu  persentase  ammonia  larutan lemah  10%,  20%,  30%,  dan  40%  untuk  menentukan  COP  dan luas solar  collector teroptimal.  Hasil  yang  diperoleh  yaitu  beban maksimal 251,922 KW pada 15 jam pendinginan bulan Januari; nilai  COP  kompresi  uap  3,375;  COP  optimal  untuk  refrigerasi absorpsi  0,794;  luas solar  collector 300,702  m 2 ;  dan  pemilihan komponen sistem berdasar katalog.
Kata Kunci —Absorpsi, Cold Storage, Solar Collector.

## I. PENDAHULUAN
ROYEKSI  konsumsi  daging  sapi  nasional  tahun  2016 mencapai 738.025 ton. Bahkan, pemerintah mendatangkan daging  sapi  impor  untuk  memenuhi  kebutuhan  pangan masyarakat sebanyak 268.790 ton karena produksi lokal hanya berkisar 469.235 ton. Kabupaten Pamekasan merupakan salah satu  daerah  dengan  produksi  daging  sapi  tertinggi  di  Pulau Madura.  Produksi  daging  sapi  di  Kabupaten  Pamekasan mencapai  rata-rata  2.656  ton  setiap  bulan  menurut  Dinas Peternakan  Pamekasan,  sehingga  tidak  membutuhkan  daging impor  dan  sudah  cukup  memenuhi  kebutuhan  daging  warga Pamekasan. Bahkan tidak sedikit yang disuplai ke luar daerah, seperti  daerah  Situbodo  dan  Bondowoso  melalui  jalur  laut. Namun,  distribusi  daging  dilakukan  dengan  cara  yang  tidak efektif,  yaitu  dengan  cara  mengangkut  sapi  dalam  keadaan hidup  agar  proses  penyembelihan  dapat  dilakukan  di  tempat tujuan  untuk  mempertahankan  kualitas  daging.  Proses distribusi akan jauh lebih efektif jika karkas dibekukan terlebih
dahulu.
Pemanfaatan energi matahari sesuai dengan potensi wilayah Pamekasan  yang  memiliki  intensitas  radiasi  matahari  cukup besar, menurut GeoModel Solar; dengan kisaran 1900 hingga 2100 kWh/m 2 dan beriklim tropis dengan temperatur rata-rata tahunan  berkisar  antara  26-28 ℃ dan  beriklim  Aw  menurut klasifikasi  K ö ppen-Geiger  dengan  curah  hujan  lebih  rendah daripada  tropis.  Oleh  karena  itu,  Optimalisasi  potensi  daerah Pamekasan  dengan  melakukan  perancangan  unit cold  storage dengan kapasitas 25 ton karkas memanfaatkan energi matahari menggunakan flat  plate  solar  collector dengan  siklus kombinasi absorpsi dan kompresi uap untuk proses pembekuan daging  sapi  hingga  temperatur  -20 ℃ bagi  wilayah  produsen daging di Pamekasan.

## II. METODOLOGI PERANCANGAN

## A. Tahap Permodelan Sistem Pendingin
Sistem  refrigerasi  yang  akan  digunakan  yaitu  kombinasi refrigerasi  kompresi  uap,  absorpsi,  dan  sistem  pengumpul energi  matahari  jenis  plat  datar.  Energi  matahari  akan dikumpulkan dan digunakan untuk memanaskan generator pada sistem  absorpsi,  sehingga  uap  refrigeran  murni  dialirkan menuju kondensor, katup ekspansi, dan evaporator . Uap yang keluar dari evaporator menuju mixing chamber (absorber) dan dialirkan  menuju  generator  dengan  pompa  dalam  bentuk ammonia  larutan  kuat  ( strong  solution ),  sedangkan  pada generator  sebagian  larutan  aquos-ammonia  dialirkan  kembali menuju absorber melalui katup ekspansi dengan kondisi larutan ammonia lemah ( weak solution ).
Evaporator pada  refrigerasi  absorpsi  akan  menjadi kondensor  pada  refrigerasi  kompresi  uap.  Refrigerasi  ini menggunakan  4  komponen  utama,  yaitu;  kondensor,  katup ekspansi, evaporator ,  dan  kompresor.  Refrigeran  yang mengalir  dalam  sistem  kompresi  uap  adalah  ammonia  murni. Refrigeran  yang  keluar  dari  kondensor  berupa  cair  jenuh mengalir  menuju evaporator melalui  katup  ekspansi. Refrigeran  yang  keluar  melalui evaporator berupa  uap ammonia  menuju  kompresor  dengan  menaikkan  tekanan hingga  sama  dengan  tekanan  kondensor.  Skema  perancangan sistem pendingin seperti pada gambar 1.
Perancangan Unit Mesin Pendingin ( Cold Storage ) untuk Produk Karkas Sapi Kapasitas 25 Ton dengan Kombinasi Refrigerasi Kompresi Uap,
Refrigerasi Absorpsi, dan Flat Plate Solar Collector di Kabupaten Pamekasan-Madura
Canny Cado Dwi Putri Ayu, Budi Utomo Kukuh Widodo, dan Prabowo Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
e-mail : budiitem@me.its.ac.id
P
Gambar 1. Permodelan Sistem Pendingin pada Cold Storage

## B. Tahap Permodelan Konstruksi Cold Storage
Gambar  2.  Permodelan  Atap  ( Ceiling );  (1)Pondasi  Bagian  Atas  Atap, (2)Penyangga Atap ( Joist ), dan (3)Atap Bagian Atas Cold Storage
Material  yang  digunakan  untuk ceiling yaitu;  6  in h.w concrete dengan insulasi 2 in. Atap yang didesain adalah jenis Flat  Roof dengan Suspeded  Ceiling .  Lantai  yang  didesain menggunakan  material Metal  lath dan lightweight  aggregate 0,75  in, joist,  wood  subfloor 0,75  in, plywood 0,625  in, felt building membrane, dan resilient tile . Penampang  dinding cold  storage pada  gambar  3b) menggunakan  material  insulasi  yang  sangat  baik,  yaitu; polyurethane dan gipsboard . Rancangan pintu yang digunakan yaitu jenis swing door dengan diletakkan sebuah jendela kaca 0,08 m 2 . Pintu menggunakan material solid urethane foam core , sedangkan  jendela  kaca  menggunakan flat  glass dan  lapisan tunggal  ( single  glass )  seperti  gambar  3a).  Dimensi Cold Storage yaitu  panjang  5  m,  lebar  4  m,  dan  tinggi  2  m.  Daya tampung maksimal cold storage yaitu 25 ton.
Gambar  3.  a)Permodelan  Pintu Cold  Storage; (1)pintu,  (2)gagang  pintu,
(3)jendela  kaca,  (4)engsel  pintu;  b)Penampang  Dinding Cold  Storage ; (1)interior, (2)dan(4) gipsboard , (3) polyurethane , (5)eksterior.

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Beban Pendinginan
1) Beban Eksternal
Beban  eksternal  terdiri  dari  beban  dinding.jendela  kaca, pintu,  lantai,  dan  atap.  Perhitungan  dilakukan  sesuai  dengan standar  ASHRAE.  Berikut  ini  hasil  dari  perhitungan  beban pendinginan.
Gambar 4. Grafik Beban Pendinginan oleh Dinding Cold Storage Fungsi Waktu Pendinginan (dalam 1 tahun)
Gambar 5. Grafik Beban Pendinginan oleh Jendela Kaca Cold Storage Fungsi Waktu Pendinginan (dalam 1 tahun)
Gambar 4 menjelaskan bahwa nilai beban dinding tertinggi terjadi pada bulan Juli. Peningkatan beban terjadi setelah 5 jam pendinginan  hingga  mencapai  beban  maksimal  pada  16  jam pendinginan  dan  kembali  mengalami  penurunan.  Gambar  5 menjelaskan bahwa nilai pembebanan oleh kaca tertinggi yaitu
a) b)
pada bulan Desember. Hal ini sesuai dengan teori, karena pada bulan Desember, letak matahari rendah di sisi sebelah selatan. Oleh  karena  itu,  sudut  inklinasi  matahari  terhadap  dinding menimbulkan  pembebanan  yang  paling  besar  untuk  bulan Desember.  Kenaikan  beban  pendinginan  dimulai  saat  5  jam waktu  pendinginan  hingga  mencapai  nilai  maksimal  pada  15 jam  pendinginan,  kemudian  menurun  hingga  24  jam pendinginan. Begitu pula seterusnya.
Gambar 6. Grafik Fungsi Beban Pendinginan Pintu terhadap waktu
Gambar 7. Grafik Fungsi Beban Lantai terhadap waktu
Gambar 8. Grafik Beban Atap Fungsi Waktu (dalam 1 tahun)
Gambar 6 menunjukkan bahwa beban pintu menurun hingga 4  jam  pendinginan  dan  kembali  meningkat  pada  7  jam pendinginan  hingga  mencapai  kondisi  maksimal  pada  16  jam pendinginan hingga akhirnya kembali menurun hingga 24 jam pendinginan. Gambar 7  menunjukkan bahwa terjadi penuruna beban lantai hingga 4 jam waktu pendinginan yang kemudian meningkat pada 7 jam hingga mencapai nilai maksimal pada 15 jam  pendinginan.  Kemudian,  grafik  kembali  mengalami penurunan  beban  hingga  24  jam  waktu  pendinginan.  Beban pintu  dan  lantai  setiap  bulan  besarnya  sama  karena  tidak dipengaruhi oleh lattitude month dan arah sinar matahari.
Gambar 8 menunjukkan bahwa terjadi penurunan beban atap dari  awal  pendinginan  hingga  9  jam,  kemudian  meningkat hingga mencapai nilai maksimal pada waktu 21 jam, kemudian kembali  menurun  hingga  24  jam.  Hal  ini  dipengaruhi  oleh waktu  penyinaran  matahari.  Nilai  beban  atap  paling  tinggi untuk Lattitude  Month (LM)  pada  8  LS  yaittu  pada  bulan September.

## 2) Beban Internal
Gambar 9. Distribusi Temperatur Karkas terhadap Waktu Pendinginan
Gambar 10. Penambahan Karkas Sapi dalam Cold Storage
Karkas didinginkan mulai temperatur inisial 30 hingga  -20. Sensible  heat terjadi  pada  proses  1-2;  yaitu  penurunan temperatur  dari  30 ℃ -0 ℃ dengan  kalor  sensibel  rata-rata sebesar  116937,808  Btu/hr  dan  proses  3-4  yaitu  penurunan temperatur  dari0 ℃ -(-20) ℃ dengan  kalor  sensibel  sebesar 300819,331  Btu/hr. Latent  heat terjadi  pada  proses  2-3  yaitu perubahan  fasa  karkas  menjadi  es  dengan  rata-rata  kalor 767880  Btu/hr.  Waktu  pendinginan  diperoleh  dari  hasil perhitungan konduksi transien. Proses 1-2 terjadi selama 10jam, proses 2-3 terjadi selama 7 jam, dan proses 3-4 selama 3 jam. Total jam pendinginan yaitu 20 jam.
Massa karkas yang digunakan pada proses perhitungan yaitu 60%  dari  massa  total  karena  kandungan  air  dalam  karkas sebesar  60%,  22%  lemak,  dan  lainnya  merupakan  tulang. Kapasitas  Maksimal  pendinginan  karkas  yaitu  767880 Btu/hr=225043,413  W.  Energi  yang  dibutuhkan  pendingin yaitu  5401041,918  Wh/hari.  Gambar  10  menjelaskan  tentang perbandingan beban internal dan eksternal cold storage . Beban diperhitungkan  berdasarkan  jam  matahari.  Beban  internal
1600 11600 21600 31600 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 kg k ar ka s Waktu Pendinginan (jam)
konstan sesuai dengan kapasitas pendinginan maksimal produk, yaitu 767880 Btu/hr.

## Beban Infiltrasi
Gambar 11. Beban Infiltrasi terhadap Waktu Pendinginan
Gambar  11  menunjukkan  beban  laten  dan  sensibel  oleh infiltrasi  terhadap  waktu  pendinginan.  Beban  laten  memiliki nilai  yang  jauh  lebih  besar  daripada  beban  sensibel.  Kedua beban ini mengalami penurunan hingga 5 jam pendinginan dan meningkat  hingga  mencapai  nilai  maksimal  pada  15  jam pendinginan.  Setelah  itu,  beban  kembali  menurun  hingga  24 jam pendinginan.

## Total Beban Pendinginan
Beban  pendinginan  total  diperhitungkan  hingga  24  jam pendinginan  setiap  bulan  dalam  setahun.  Sehingga,  diperoleh beban  tertinggi  yaitu  pada  bulan  Januari  pada  15  jam pendinginan sebesar 859595,541 Btu/hr atau 251922,585 Watt, setara dengan 0,251 MW

## B. Sistem Kompresi Uap
Tabel 1.

## Data Tiap Keadaan untuk Sistem Kompresi Uap
State points* Tekanan (bar) Temperatur ( ℃) Kondisi 9 14 130 Superheated vapour 10 14 36,26 Saturated liquid 11 1,75 -21,86 Throttling; isoenthalpy; lower pressure 12 1,75 -21,86 Saturated vapour

## *) Tingkat keadaan berdasar Gambar 1
Laju  alir  massa  refrigeran  pada  kompresi  uap  0,237  kg/s. Kalor  yang  diserap evaporator besarnya  sama  dengan  total beban  pendinginan  maksimal  yaitu  251922,585  Watt.  Kalor yang  dikeluarkan  oleh  kondensor  326560,253  Watt.  Kerja kompresor  yaitu  74637,668  Watt. Coefficient  of  Performance (COP) kompresi uap 3,375.

## C. Sistem Refrigerasi Absorpsi
Tabel 2.
Data Tiap Keadaan untuk Sistem Refrigerasi Absorpsi State points* Tekanan (bar) Temperatur ( ℃) % kg NH 3 /kg mix Kondisi 1 12 30,94 Pure ammonia Saturated vapour 2 15 38,645 Pure ammonia Saturated vapour; P2=P3 3 15 38,645 Pure ammonia Saturated liquid 4 12 30,94 Pure ammonia Throttling; isoenthalpy; lower pressure 5 12 38,645 Weak solution Liquid solution; P5=P4=P1 6 12 30,94 Strong solution Liquid solution; P6=P1 7 15 30,94 Strong solution Liquid solution; P7=P8=P2 8 15 38,645 Weak solution Liquid solution
*) Tingkat keadaan berdasar Gambar 1
Kalor yang diserap oleh evaporator sistem absorpsi besarnya sama  dengan  kalor  kondensor  sistem  kompresi  uap  yaitu 326560,253 Watt. Laju alir massa refrigerant murni 0,229 kg/s. Kalor kondensor absorpsi 327242,768 Watt. Variasi dilakukan untuk  konsentrasi  larutan  lemah  aquos-ammonia  10%,  20%, 30%, dan 40%. Variasi yang dilakukan memberikan nilai yang bervariasi pula untuk laju alir massa tingkat keadaan 5, 6, 7, dan 8 serta Q absorber dan Qgenerator.
Tabel 3. Hasil Perhitungan Variasi Persentase Ammonia pada Absorber No Variasi Konsentrasi State Point 5, 𝑐 5
𝑚̇ 5 (kg/s) 𝑚̇ 6 (kg/s) Q absorber (Watt) 1 0,10 0,286 0,515 469810,872 2 0,20 0,381 0,610 455600,219 3 0,30 0,572 0,801 438987,787 4 0,40 1,145 1,374 419307,094 Analisis pada generator juga dilakukan dengan memvariasikan  persentase  ammonia  untuk  weak  solution seperti  pada  absorber,  yaitu  10%,  20%,  30%,  dan  40%, sedangkan  untuk  strong  solution,  persentase  ammonia  tetap yaitu  50%. Weak  solution melintasi state  point 8,  sedangkan strong solution melalui state point 7.
Tabel 4. Hasil Perhitungan Variasi Persentase Ammonia pada Generator
No Variasi Konsentrasi Ammonia pada State
Point 8, C 8
Enthalpi State
Point 8, h 8 (J/kg)
𝑚̇ 8 (kg/s) 𝑚̇ 7 (kg/s) Q Generator (Watt) 1 0,10 652360 0,286 0,515 461860,724 2 0,20 481880 0,381 0,610 447656,942 3 0,30 331760 0,572 0,801 430907,091 4 0,40 208190 1,145 1,374 411061,495
Berdasarkan  variasi  yang  dilakukan,  diperoleh  nilai
coefficient  of  performance (COP)  refrigerasi  absorpsi  terbaik yaitu 0,794.

## D. Sistem Solar Collector
Sistem  kolektor  surya  digunakan  untuk  memanaskan generator  absorpsi.  Dengan  demikian,  berdasarkan  analisis keseimbangan energi, Q generator akan sama besarnya dengan Q  kolektor  surya  dan  dapat  diperoleh  luasan flat  plate  solar collector yang  dibutuhkan.  Berdasarkan  hasil  perhitungan, diperoleh luas solar collector 301 m 2 .
Tabel 5. Hasil Perhitungan Luas Solar Collector
Variasi Konsentrasi Ammonia untuk Weak Solution Q Generator (Watt) Luas Solar Collector (m 2 ) 0,10 461860,724 337,864 0,20 447656,942 327,473 0,30 430907,091 315,220 0,40 411061,495 300,703

## IV. KESIMPULAN/RINGKASAN
Beban pendinginan tertinggi yaitu bulan Januari pada 15 jam waktu  pendinginan  sebesar  859595,541  Btu/hr  atau  251,922 KW.  Nilai Coefficient  of  Performance (COP)  terbaik  untuk sistem  absorpsi  yaitu  pada  persentase  aquos-ammonia  untuk weak solution 0,40 dengan COP 0,794.
Luas Flat  Plate  Solar  Collector terkecil  yaitu  pada  variasi persentasi  aquos-ammonia  untuk weak  solution 0,40  yaitu 300,703 m 2 . Nilai COP untuk sistem kompresi uap yaitu 3,375 dan  lebih  kecil  daripada  sistem  pendingin  Carnot  sistem kompresi uap.
Komponen  penyusun  sistem  pendinginan  yang  dipilih berdasarkan  katalog  sebagai  berikut:  a) Evaporator :  Merk: Cabero seri IBHR (5 unit 55KW; stainless steel); b) Kompresor:
Merk:  Hasegawa; V-Belt  Drive  Compressor;  two-stage compressor unit model HVU-VZL62AVT; c) Katup ekspansi: Merk: HRP; Series TERE, Alco Code A; d) Kondensor Sistem Absorpsi:  Merk:  Cabero  Compact  Line  seri  W-Shape;  e) Komponen  Absorpsi:  Merk:  York;  model:  YHAU-C-L (Kapasitas: 176-1758 kW); f) Flat Plate Solar Collector : Merk: Sunearth Empire Serie s model EC/EP40 (Gross Area = 40.81 ft2; 80 unit); g) Pompa: Merk: Flowsereve; GA series ; Double Helical  Gear  (pressure to  17  bar);  h) Energy  Storage :  Merk: Cristopia; Tipe: Concrete Tank .

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Asosiasi Obat Hewan Indonesia, Jakarta, 2015.
[2] D. P. K. Pamekasan, Interviewee, Produksi dan Populasi sapi potong di kabupaten Pamekasan. [Interview]. 11 May 2015.
[3] S.  James  and  C.James,  Meat  Regrigeration,  England:  Woodhead Publishing Limited,Abington Hall,Abington, 2002.
[4] D.  N.  Basu and  A.Ganguly,  Solar  thermal-photovoltaic  powered  potato cold storage-conceptual design and performance analysis, p. 308, 2015.
[5] S.  J.  Michael  and  H.  N.  Shapiro,  Fundamental  of  Engineering Thermodynamics 7th  Edition,  United  States  of  America:  John  Wiley  & Sons, Inc, 2011.
[6] W. Stoecker and J. Jones, Refrigeration and Air Conditioning, New York: McGraw-Hill, Inc., 1982.
[7] American  Society  of  Heating,  Refrigerating  and  Air  Conditioning Engineer  (ASHRAE),  Inc.,  Cooling  and  Heating  Load  Calculation Manual, U.S: U.S Department of Housing and Urban Development, 1976- 1977.
[8] F. P. Incropera and D. P. Dewitt, Fundamentals of Heat and Mass Transfer 6th Edition, United States of America: JOHN WILEY & SONS, 2007.
[9] Dinas Peternakan Jawa Timur, "Dinas Peternakan Provinsi Jawa Timur," 2015.  [Online].  Available:  www.disnak.jatimprov.go.id.  [Accessed  21 September 2016].
[10] D. N. Basu and A. Ganguly, Solar thermal–photovoltaic powered potato cold storage – Conceptual, p. 311, 2015.
[11] S.  Kakac  and  H.  Liu,  Heat  Exchanger;  Selecting,  Rating,  and  Thermal Design 3rd Edition, U.S: Taylor & Francis Group, LLC, 2012.