KESEIMBANGAN PANAS

Pendahuluan

• Panas merupakan salah satu bentuk energi• Berperanan penting dalam pengolahan• Digunakan untuk :

– Mematangkan pangan– Merubah sifat fisik dan kimia– Membunuh mikroorganisme dan enzim

Contoh keseimbangan panas

TEORI PINDAH PANAS

• Proses pindah panas banyak ditemui pada industri pengolahan pangan pada proses : pemasakan, pemanggangan, pengeringan, sterilisasi atau pendinginan

• Pindah panas: panas berpindah secara spontan dari satu bahan ke bahan lain yang lebih dingin.

• Jumlah panas yang dipindahkan tergantung perbedaan suhu bahan (driving force) dan tahanan bahan

• Laju perpindahan panas :– Steady state– Unsteady state

Jenis Pindah Panas

• Konduksi• Konveksi • Radiasi• Konduksi, energi molekul berpindah secara langsung

dari daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih dingin tanpa ada perpindahan molekul.

• Radiasi, perpindahan energi panas dengan gelombang elektromagnetik tanpa memerlukan media

• Konveksi, proses pindah panas menggunakan pergerakan molekul

Konduksi

• jumlah panas = daya dorong/ tahanan• DQ/dt = kA dT/dx   (persamaan Fourier untuk konduksi)

– dQ/dt = jumlah panas yang dipindahkan per satuan waktu– A = luas daerah yang dialiri panas– dT/dx = perubahan suhu per satuan panjang– k = konduktivitas panas

• konduktivitas panas bahan bisa diukur. Konduktivitas thermal berubah sedikit sesuai suhu, tetapi umumnya dianggap konstan untuk bahan yang telah diketahui.

Konduksi melewati suatu lempengan

• dQ/dt = kA dT/dx

• Pada perbedaan suhu konstan dQ/dt = q• q = kA dT/dx• q = kA(T1 - T2)/x

Contoh• suatu gabus dengan tebal 10 cm punya suhu permukaan -12oC dan

21oC. jika rata-rata konduktivitas themal gabus pada suhu tersebut 0,042 J m-1 s-1 oC-1 berapa jumlah panas yang dipindahkan melewati diding 1m2?

• T1 = 21°C• T2 = -12°C• DT = 33°C• • A = 1 m2 • k = 0.042 J m-1 s-1 °C-1

• x = 0.1 m• • .......J s-1

PINDAH PANAS UNSTEADY STATE

• pindah panas yang suhunya berubah karena bahan dipanaskan atau didinginkan.

• Proses sangat rumit, melibatkan penyelesaian menggunakan persamaan Fourier yang ditulis dalam bentuk diferensial parsial dalam tiga dimensi.

• Contoh pendinginan sosis oleh udara. Jumlah panas yang dipindahkan dari permukaan ke silinder :

• Konveksi (dari permukaan sosis ke udara) • q = dQ/dt = hsA(Ts - Ta)

• dimana Ta adalah suhu udara and Ts adalah suhu permukaan.

• Konduksi (dari pusat ke permukaan sosis)• dQ/dt = (k/L)A( Tc– Ts )

• dimana Tc suhu pusat silinder, k konduktivitas thermal bahan silinderdan L adalah radius silinder.

• hsA(Ts -Ta) = (k/L)A( Tc– Ts ) hs(Ts - Ta) = (k/L)( Tc– Ts ) hsL/k = ( Tc– Ts )/ (Ts - Ta)

Biot Number Bi = hsL/k

• dQ = hsA(Ts - Ta) dt

• dQ = c ρ VdT• c = panas spesifik bahan • ρ = densitas bahan• V = volume • c ρ VdT = hsA(Ts - Ta) dt

• Integral untuk Ts = T1 dan Ts = T2 Untuk waktu t

• - hsA t/c ρ V = loge (T2 - Ta)/(T1– Ta)

• (kt/c ρ L2) = Fourier number (Fo)• (hsL/k) = Biot Number (Bi)

COntoh

• sosis daging berbentuk silinder panjang 30 cm da diameter 5 cm diproses di dalam autoclave. jika suhu awal sosis 21oC dan suhu autoclave dijaga 116oC, perkirakan suhu pusat sosis setelah 2 jam di autoclave. Diasumsikan konduktivitas thermal sosis 0,48 J m-1 oC-1 densitas 1,07, panas spesifik 3350 J kg-1 oC. koefisien pindah panas permukaan autoclave ke permukaan sosis adalah 1200 J m-2 s-1 oC-1.

Evaporasi

• Berfungsi sebagai alat pemekat larutan• Sumber panas : steam• Singgle effect evaporator, double effect , triple

effect

Persamaan• Keseimbangan panas di evaporator 1

• q1 = U1A1(Ts - T1) = U1A1 T1

• q1 :laju pindah panas, U1 :Koef. Pindah panas keseluruhan di ev 1., A1 : luas pindah panas di ev.1., Ts : suhu kondensasi sieam di ev.1., T1 : beda suhu di ev.1= (Ts - T1).

• Keseimbangan panas di evaporator 2

• q2 = U2A2(T1 - T2) = U2A2 T2

• Jika tdk terjadi kehilangan panas dan boiling point

• q1 = q2

• Serta evaporator dari jenis bahan dan ukuran sama

• A1 = A2

• U2/U1 = T1/T2

Multiple effect evaporatorslebih banyak digunakan karena :lebih ekonomis

Steam Consumption And Running Costs Of Evaporators

Number of effects

Steam consumption(kg steam/kg

water evaporated)

Total running cost (relative to a single- effect

evaporator)

One 1.1 1Two 0.57 0.52Three 0.40 0.37

Steam Table

• Steam : uap panas, banyak digunakan sebagai sumber panas pada evaporator

• Pertimbangan : bersih, tidak mengkontaminasi pangan, suhu, efisien

• Steam table

COntoh

• Estimate the requirements of steam and heat transfer surface, and the evaporating temperatures in single effect, for evaporating 500 kg h-1 of a 10% solution up to a 30% solution. Steam is available at 300 kPa gauge and the pressure in the evaporation space is 101 kPa absolute. Assume that the overall heat transfer coefficients are 2270 J m-2 s-1 °C-1