fluids foodphariyadi.staff.ipb.ac.id/files/2018/02/fluids-food-1...perubahan densitas fluida karena...
Post on 01-May-2018
245 Views
Preview:
TRANSCRIPT
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
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id --Aliran Fluida
2
ALIRAN FLUIDA
FLUIDA :Senyawa/bahan yang dapat mengalir tanpa mengalami “disintegrasi” jika dikenakan tekanan kepada bahan tersebut.
Karakteristik Aliran ………………> REOLOGI
FLUIDA : GASCAIRANPADATAN
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
KENAPA BELAJARREOLOGI?
• Bahan pangan fluida??- saus tomat- es krim- coklat
•Keperluan Disain Proses•Evaluasi Proses•QC•Konsumen
- pudding/gel?
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
ITP530 2/19/2018
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id --Aliran Fluida
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................?
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
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 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
ITP530 2/19/2018
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id --Aliran Fluida
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
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
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 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
ITP530 2/19/2018
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id --Aliran Fluida
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
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
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 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
ITP530 2/19/2018
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id --Aliran Fluida
6
NON-NEWTONIANNON-NEWTONIAN
K : Indeks tingkah laku aliran (flow behavior index)n : Indeks konsistensi
= K ()n ...............> model “Power law”1
.
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
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 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
ITP530 2/19/2018
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id --Aliran Fluida
7
Hubungan antara gaya geser vs. laju geser (gradien kecepatan) untuk fluida newtonian dan non-newtonian
Hubungan antara gaya geser vs. laju geser (gradien kecepatan) untuk fluida newtonian dan non-newtonian
o
00
- du/dy = .
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
Rheologi “Melted Chocolate”:Rheologi “Melted Chocolate”:
Model Casson : 1/2 = Ko + K1 1/2.
00
()1/2.
1/2
Ko
Kemiringan = K1
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
Apa pengaruh Ko thd bentuk coklat?
ITP530 2/19/2018
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id --Aliran Fluida
8
Hubungan antara gaya geser vs. laju geser (gradien kecepatan) untuk fluida newtonian dan non-newtonian
Hubungan antara gaya geser vs. laju geser (gradien kecepatan) untuk fluida newtonian dan non-newtonian
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
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 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
ITP530 2/19/2018
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id --Aliran Fluida
9
app
t, waktu
VISKOSITAS = f(t)?VISKOSITAS = f(t)?
Time independent
Rheopektik: coklat, suspensi pati
Thixotropik: madu, gum
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
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 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
ITP530 2/19/2018
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id --Aliran Fluida
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
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
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-
ALIRAN FLUIDA NEWTONIAN DALAM PIPAALIRAN FLUIDA NEWTONIAN DALAM PIPA
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
ITP530 2/19/2018
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id --Aliran Fluida
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 -=--
=
ALIRAN FLUIDA NEWTONIAN DALAM PIPAALIRAN FLUIDA NEWTONIAN DALAM PIPA
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
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 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
ITP530 2/19/2018
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id --Aliran Fluida
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
=
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
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 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
ITP530 2/19/2018
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id --Aliran Fluida
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 =
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
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 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
ITP530 2/19/2018
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id --Aliran Fluida
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
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
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
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id --Aliran Fluida
15
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
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
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
Log V
Log P
2L
RlogKlog
R
4lognVlognPlog
Kemiringan = n
NON-NEWTONIAN Vs NEWTONIAN :NON-NEWTONIAN Vs NEWTONIAN :
Jika n = 1….> newtonian
jika n <1 atau n >1….> non-newtonian
harus dicari nilai K
Maka : 8LV
P R2
=
ITP530 2/19/2018
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id --Aliran Fluida
16
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
NON-NEWTONIAN Vs NEWTONIAN :NON-NEWTONIAN Vs NEWTONIAN :
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
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
NON-NEWTONIAN Vs NEWTONIAN :NON-NEWTONIAN Vs NEWTONIAN :
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
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id --Aliran Fluida
17
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
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!
Contoh : Force Flow Tube or Capilary Viscometer
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
=
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
Berikutnya : K???
ITP530 2/19/2018
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id --Aliran Fluida
18
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
Contoh : Force Flow Tube or Capilary Viscometer
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 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
ITP530 2/19/2018
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id --Aliran Fluida
19
Fluida
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
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)
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
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
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id --Aliran Fluida
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
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
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
ITP530 --- phariyadi.staff.ipb.ac.id
top related