FLUIDS FOODphariyadi.staff.ipb.ac.id/files/2018/02/Fluids-Food-1...Perubahan densitas fluida karena...

ITP530 2/19/2018

ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id --Aliran Fluida

1

FLUIDS FOODFLUIDS FOOD

Lecture Note ITP530

Dosen : Dr. Ir. Purwiyatno Hariyadi, MSc

Dept of Food Science & TechnologyFaculty of Agricultural Engineering & TechnologyBogor Agricultural UniversityBOGOR

2018

• Mahasiswa akan mengetahui dan memahami konsep dasar atas berbagai model yang menjelaskan tingkah laku dan karakteristik fluida

• Mahasiswa akan mampu menjelaskan dan memecahkan soal-soal aplikasi tentang aliran fluida (kasus industri pangan)

• Mahasiswa akan mampu menggunakan konsep aliran fluida (prinsip kontinuitas, dsb) untuk menganalisis suatu proses/soal keteknikan (kasus industri pangan) : mampu menghitung keperluan/ukuran pompa yang diperlukan untuk transportasi fluida

TUJUAN INSTRUKSIONALTUJUAN INSTRUKSIONAL

ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id

ITP530 2/19/2018


2

ALIRAN FLUIDA

FLUIDA :Senyawa/bahan yang dapat mengalir tanpa mengalami “disintegrasi” jika dikenakan tekanan kepada bahan tersebut.

Karakteristik Aliran ………………> REOLOGI

FLUIDA : GASCAIRANPADATAN


KENAPA BELAJARREOLOGI?

• Bahan pangan fluida??- saus tomat- es krim- coklat

•Keperluan Disain Proses•Evaluasi Proses•QC•Konsumen

- pudding/gel?


ITP530 2/19/2018


3

KARAKTERISTIK FLUIDAKARAKTERISTIK FLUIDA

Densitas :massa per satuan volume

SI : kg.m-3

Lainnya : lbm.ft-3

g.cc-1 atau g.cm-3

Kompresabilitas :Perubahan densitas fluida karena perubahan suhu atau tekanan- sangat penting untuk gas- dapat diabaikan untuk cairan

Viskositas................?


BATASAN VISKOSITASBATASAN VISKOSITAS

y

F

V = 0 (diam)

y

Perhatikan dua silinder Konsentrik :Silinder dalam : diamSilinder luar : bergerak/berputar

fluida

Fluida terdapat diantara dua tabung

Untuk tetap mempertahankan aliran, diperlukan gaya = FKemudahan mengalir? V/y?V = f (F, A, sifat fluida)


ITP530 2/19/2018


4

VISKOSITAS ()Suatu ukuran mudah/sukarnya suatu bahan untuk mengalirViscosity - the property of a material which describes the resistance to flow

FLuas = A

Kemudahan mengalir? V/y?V = f (F, A, sifat fluida)

V=f(y)

dy

dV

A

F

=

BATASAN VISKOSITASBATASAN VISKOSITAS


Tentukan satuan Viskositas ...... Tentukan satuan Viskositas ......

det.cm

det.cm.g2

2

=

[=] g cm-1det-1

dy

dv

A

F

Diketahui Hk Newton ttg viskositas

Prinsip : Fungsi ..>mempunyai dimensi/satuan yg homogen

dy

dv

A

F 1

cm

det/cm

cm

dyne 1

2

det.cm

det.cm.g2

2

=

-1

= poise


ITP530 2/19/2018


5

Note : [=] g cm-1det-1 = poise

1 poise = 100 cp

Contoh:

air (20oC, 1 atm) = 1.0019 cp

air (80oC, 1 atm) = 0.3548 cp

udara (20oC, 1 atm) = 0.01813 cp

C2H5OH (lq; 20oC, 1 atm) = 1.194 cp

H2SO4 (lq; 25oC, 1 atm) = 19.15 cp

glycerol (lq; 20oC, 1 atm) = 1069 cp

ViskositasViskositas


dydv

dydv

AF

: Hk. Newton

Fluida-fluida yang menganut hukum Newton:

FLUIDA NEWTONIAN

= gaya geser

Kemiringan =

FLUIDA : NEWTONIAN & NON-NEWTONIANFLUIDA : NEWTONIAN & NON-NEWTONIAN

dydv , laju geser (shear rate)

.


ITP530 2/19/2018


6

NON-NEWTONIANNON-NEWTONIAN

K : Indeks tingkah laku aliran (flow behavior index)n : Indeks konsistensi

= K ()n ...............> model “Power law”1

.


A. Newtonian= (),model “power law”dgn K= dan n=1

.

B. Pseudoplastik= K()n, n<1

.

C. Dilatan= K()n, n>1

.

NON-NEWTONIANNON-NEWTONIAN.= o + K ()n ...............> model “Herschel-Bulkley”2

K : Indeks tingkah laku aliran (flow behavior index)n : Indeks konsistensio : gaya geser awal (yield stress)

A. Bingham plastiko + K()

.

.o

B. Fluida H - B= o + K()n; n<1.


ITP530 2/19/2018


7

Hubungan antara gaya geser vs. laju geser (gradien kecepatan) untuk fluida newtonian dan non-newtonian


o

00

- du/dy = .


Rheologi “Melted Chocolate”:Rheologi “Melted Chocolate”:

Model Casson : 1/2 = Ko + K1 1/2.

00

()1/2.

1/2

Ko

Kemiringan = K1


Apa pengaruh Ko thd bentuk coklat?

ITP530 2/19/2018


8




o

00

- du/dy = .

Viskositas??

Dapat pula digunakan viskositas apparent (app)

app = Newtonian

Dilatant : shear thickening

Newtonian

Pseudoplastik : Shear thinning

app = .

Non-newtonian

app = = Kn-1.

app

.

VISKOSITAS = f()?VISKOSITAS = f()?..


ITP530 2/19/2018


9

app

t, waktu

VISKOSITAS = f(t)?VISKOSITAS = f(t)?

Time independent

Rheopektik: coklat, suspensi pati

Thixotropik: madu, gum


T

app app = Aoe(-Ea/RT) : Hubungan Arrhenius

Ln app = ln Ao - Ea/RTlnapp

1/T

Kemiringan = - Ea/R

Ln Ao

VISKOSITAS = f(T)?VISKOSITAS = f(T)?


ITP530 2/19/2018


10

ALIRAN FLUIDA NEWTONIAN DALAM PIPAALIRAN FLUIDA NEWTONIAN DALAM PIPA

Perhatikan : tabung silinder

L

panjang L,

R

diameter R.

V

Fluida mengalir dengan kecepatan V

P1 P2

Terdapat perbedaan tekanan, P1 di ujung masuk pipa dan P2 di ujung keluar, P1> P2

r

Perhatikan silinder dgn jari-jari=r

dr

dan ketebalan = dr


Gaya bekerja pada permukaan silinder (r) ............> F= (P1-P2)(r2)Luas permukaan silinder ............> A = 2rLJadi, gaya geser (r) :

L

R

V

P1 P2

rdr

2LP.r

2LP2)r(P1

2rLP2)(r2)(P1 =

-=

-=

Ingat :

dy

dv

Jadi

dr

dv

2LP2)r(P1-



ITP530 2/19/2018


11

L

R

V

P1 P2

rdr

=

dr

dV

2LP2)r(P1-

(-rdr)2L

)P(PdV

21 -=

= r.dr2L

P2)(P1dV

C2

r2

2LP2)(P1V(r) +

--=

Diketahui bahwa pada r=R ......> V=0maka, (P1-P2)(R2)

4LC=

Jadi :

r2)(R2

4L

Pr2)(R2

4L

P2)(P1V -=--

=



DISTRIBUSI KECEPATANDISTRIBUSI KECEPATAN

r2)(R2

4l

Pr2)(R2

4L

P2)(P1V -=--

=

Terlihat bahwa :pada r = R ...........> V = 0

r = 0, V = Vmax

r = R, V = 0

(R2)4l

P2)(P1 -pada r = 0 ...........> V = Vmax =

4L

PR2

=


ITP530 2/19/2018


12

The length of an arrow corresponds to the velocity of a particle.

DISTRIBUSI KECEPATAN

r2)(R2

4l

Pr2)(R2

4L

P2)(P1V -=--

=

Terlihat bahwa :pada r = R ...........> V = 0

(R2)4l

P2)(P1 -pada r = 0 ...........> V = Vmax =

4L

PR2

=


KECEPATAN RATA-RATAKECEPATAN RATA-RATA

rdr

V

dA

dA = {(r+dr)2-r2}dA = {(r2+2rdr+(dr)2-r2}dr kecil mendekati nol , maka : (dr)2 .....> 0dA = 2 rdr

Laju aliran volumetrik melalui dA ...........> VdA = V(2rdr)Debit total (melalui A)

r2)(R2

4L

P2)(P1-

-...........> VdA = (2rdr)


ITP530 2/19/2018


13

KECEPATAN RATA-RATAKECEPATAN RATA-RATA

rdr

V

dA

r2)(R2

4L

P2)(P1-

-VdA = (2rdr)

--

=R

0

_

r2) rdr(R2(2)4L

P2)(P1(R2)V

_

8L

PR2

8L

P2) R2(P1V =

-=

Debit = Q = 8LPR2

(R2)

V = 1/2 Vmax

8LPR4

Q =


KECEPATAN RATA-RATA dan VISKOSITASKECEPATAN RATA-RATA dan VISKOSITAS

_

8L

P R2

8L

P2) R2(P1V =

-=

Pada /pipa tabung dengan jari-jari R

atau 8LV

P R2

=

APLIKASI …..1 : VISKOMETER KAPILERAPLIKASI …..1 : VISKOMETER KAPILER

• catat waktu yang diperlukan untuk mengalirkan fluida dengan volume tertentu

•Waktu yang diperlukan untuk mengosongkan sejumlah volume = t

tV

Q h2

h1

kapiler

V


ITP530 2/19/2018


14

APLIKASI …1: VISKOMETER KAPILERAPLIKASI …1: VISKOMETER KAPILER

h2

h1

kapiler

ghP

LRP

Q

8

4

hhh 1 2

K : viskositas kinematik b : konstanta viskometerL: panjang kapilerR: jari-jari kapilerV: volumeh: tinggi kolom penampung (h1-h2)

Nilai b, konstanta viskometer:dicari dengan menggunakan larutan standar (diketahui dan )

tLVghR

LQ

ghRK

88

44

tV

Q

K = b t

V



ALIRAN FLUIDA NON-NEWTONIAN DALAM PIPAALIRAN FLUIDA NON-NEWTONIAN DALAM PIPA

L

w 2

PR

oL

PR

KnP

Lv

n

n 2

1

1112

max11

1

L

oL

PR

KnP

Lrv

n

o

n

n 2

Pr

2

1

1112

)(1111

1

nR

Vw 4

1

4

34

ITP530 2/19/2018


15


NON-NEWTONIAN Vs NEWTONIAN :NON-NEWTONIAN Vs NEWTONIAN :

L

w 2

PR

R

Vw4

= K()n

w = K(w)n

bnxy

2L

RlogKlog

R

4lognVlognPlog

R

V4lognKlog

2L

RlogPlog

R

V4K

2L

RPn


Log V

Log P

2L

RlogKlog

R

4lognVlognPlog

Kemiringan = n


Jika n = 1….> newtonian

jika n <1 atau n >1….> non-newtonian

harus dicari nilai K

Maka : 8LV

P R2

=

ITP530 2/19/2018


16



Mencari K ??

- ingat model umum : = o + K()n

- linierkan :…………….> ln (-o) = ln K + n ln

- asumsikan to …..> 0…………….> ln () = ln K + n ln

- plot ln () vs ln …………….> kemiringan = n (Cek and recek!)…………….> titik potong sb y = ln K

Ln

Ln

Ln K



Mencari o ??

- ingat model umum : = o + K()n

- setelah diketahui nilai n, maka :- plot vs (n

…………….> kemiringan = K (Cek and recek!)…………….> titik potong sb y = o

n

o

ITP530 2/19/2018


17


Contoh : Force Flow Tube or Capilary Viscometer

Viskometer tabung mempunyai diameter dalam (ID) 1.27 cm, panjang 1.219 m. Digunakan untuk mengukur viskositas fluida (=1.09 g/cm3).

Data yang diperoleh adalah sbb:

(P1-P2)[=]kPa Debit (g/s)

19.187 17.5323.497 26.2927.144 35.0530.350 43.8142.925 87.65

Ditanyakan nilai K dan n!


Kemiringan :

log 48-log4.3 log 100-log 1

1,000

10,000

100,000

1 10 100

Debit, g/s

Del

P, k

Pa

1,6812-0,63352

=

0.523

n = 0.523

=


Berikutnya : K???

ITP530 2/19/2018


18



L

w 2

PRw = [0.00635(0.5)/1.219]P = 0.002605 P Pa

nR

Vw 4

1

4

34 w = 5.7047 Q

1

10

100

1000

1 10 100 1000

gamma-w

tau

w-w

Log-log plot :

logw = logK + nlogw

cek/recek nK = 5 pa.s0.5

Fluida

R

Torsi, T

Contoh : VISKOMETER ROTASIONAL

Silider luar : diam

Torsi yang diperlukan untuk memutar silider dalam diukur dan dicatat

Gaya bekerja pada permukaan silinder dalam :

F = T/R

Gaya geser di dinding :

(2L)R

T

2RL

1

R

T

2w==

L

2RN

w

.

Laju geser di dinding :

Silider dalam :berputar


ITP530 2/19/2018


19

Fluida


Viskometer rotasional mempunyai, pada skala pembacaan penuh mempunyai konstanta pegas = 7187 dyne-cm.

Hasil percobaan menunjukkan hasil sbb :

N (RPM) Torsi(% skala penuh)

2 154 2610 5320 93

Tentukan parameter reologinya!

Silider luar :ID = 1,5 cm

6 cm

OD = 1 cm

Contoh soal…. (1)


Fluida

Silider luar :ID = 1,5 cm

6 cm

OD = 1 cm

w =T 7187(%FS)

R2(2L) (0.5)(2)(6)=

=(762.56)(%FS)

2RN

w

.

2()(0.5)N= = 0.2094 N

(0.75-0.5)(60)

Buat plot ln w vs ln w

…………………..

Contoh soal…. (2)

ITP530 2/19/2018


20

2 0,15

4 0,26

10 0,53

20 0,93

N. rpm Torsi terbaca(%FS)

0,4188

0,8376

2,094

4,188

w(1/s)

114,38

198,27

404,16

709,18

w(dyne/cm2)

-0,87

-0,177

0,7391

1,4322

Ln w

4,7396

5,2896

6,0018

6,5641

Ln w


Ingat : w = K(w)n

ln w = ln K + n ln(w) - cari persamaan garis lurus lnw vs lnw

- kemiringan = n- intersep = ln K

Contoh soal…. (3) - - - Analisis Data

Hub antara ln w dan ln w

dalam kertas grafik linier-linier

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

0 2 4 6 8

Gamma-w

Tau

w-w

1

10

100

1000

0,1 1 10

gamma-w

tau

w-w

Hub antara w dan w dalamkertas grafik log-log

Kemiringan : = (log 1000-log100)/(log 5,3-log 0,43)= 0.79

Intersep : K = 225 Pa.s


FLUIDS FOODphariyadi.staff.ipb.ac.id/files/2018/02/Fluids-Food-1...Perubahan densitas fluida karena...

Documents

Transcript of FLUIDS FOODphariyadi.staff.ipb.ac.id/files/2018/02/Fluids-Food-1...Perubahan densitas fluida karena...