Prinsip Teknik Pangan/

Transkripsi

1 b Lecture TRANSPORTASI FLUIDA Lecture Note Principles of Food Engineering (ITP 330) Dosen : Prof. Dr. Purwiyatno Hariyadi, MSc Dept of Food Science & Technology Faculty of Agricultural Technology Bogor Agricultural University BOGOR TRANSPORTASI FLUIDA di INDUSTRI PANGAN Purwiyatno Hariyadi - Transportasi Fluida

2 Sistim pipa dlm transportasi fluida Sistim pipa dlm transportasi fluida Purwiyatno Hariyadi Purwiyatno Hariyadi - Transportasi Fluida

3 Purwiyatno Hariyadi Sistim pipa dlm transportasi fluida Purwiyatno Hariyadi Sistim pipa dlm transportasi fluida Purwiyatno Hariyadi - Transportasi Fluida 3

4 ALIRAN FLUIDA : Transportasi Fluida. (P - P ) ΔP V (R - r ) (R - 4Lμ 4lμ r ).. V max (P - 4lμ P ) (R ) ΔPR 4Lμ r R, V 0 r 0, V V max 3 Hal tsb dipengaruhi oleh : Bil Reynold Dv Re η dimensionless ΔPπR 4 Q 8Lμ Re < 00 laminar Re > 00 turbulen FLOW THROUGH TUBE Q: Why are the thick shake straws larger than ordinary straws? A: Because the flow rate inversely proportional to μ But, Q depends on R 4 power. > Have to increase R slightly to get same flow rate for highly viscous shake Purwiyatno Hariyadi - Transportasi Fluida 4

5 Aliran laminar : Re < 00 STREAMLINE /garis arus Semua partikel yang memulai aliran di titik A akan mengikuti jejak yang sama, melalui B dan akhirnya C Koleksi atau berkas garis arus Jejak menunjukkan arah aliran pada streamline berbabagi titik - hanya ada komponen v C B A Arah kecepatan partikel ditunjukkan oleh tangent pada titik ttt Jarak antar streamlines memberikan indikasi ttg kecepatan fluida pada berbagai titik Aliran trubulen. Re > 00 Pusaran Semua partikel yang memulai aliran titik A tidak akan mengikuti jejak yang sama, melalui B dan akhirnya C Tidak ada streamline Terjadi mixing antar lapisan fluida Pada titik ttt : > komponen kecepatan ARAH ALIRAN Purwiyatno Hariyadi - Transportasi Fluida 5

6 Bilangan Reynold : sangat berpengaruh pada faktor gesekan DV Re μ Re < 00 : laminar Hubungan ΔP, v dan μ du diperoleh Re > 00 : turbulen secara empiris (dengan menggunakan chart faktor gesekan). dimana: F A (KE) f A Area (KE) Energi kinetik f Faktor gesekan APLIKASI : FALLING BALL VISCOMETER () Sebuah bola yang bergerak dalam medium yang kental mengalami tahanan; yang besarnya berbanding dengan : kecepatan ukuran (jari-jari) jari) viskositas medium F v 6πηvR Stoke s law applies only for streamline conditions and when boundary layer stays intact (no slipping between liquid and sphere Purwiyatno Hariyadi Purwiyatno Hariyadi - Transportasi Fluida 6

7 FALLING BALL VISCOMETER : Terminal Velocity Jika bola dijatuhkan kedalam medium kental, akan mengalami percepatan (gravitasi) sampai tahanan krn kekentalan (viscous resistive force) ) dan daya ambang keatas sama dengan gaya berat lurus beraturan Gaya ini meningkat dengan meningkatnya 4 π R 3 g kecepatan 3 s F v mg F b Berat bola Jari-jari bola v t R Kecepatan terminal kecapatan terminal 4 πr 3 l g 6π μrv 3 t bouyancy force Densitas bola g s - l 9 μ viscous force Densitas fluida Viscositas fluida DASAR TRANSPORTASI FLUIDA. Transportasi dalam bentuk fluida... > proses efisien... > fluidisasi. Dasar perhitungan transportasi fluida :... > Kesetimbangan Massa... > Kesetimbangan Momentum... > Kesetimbangan Energi Bernoulli s Eq. Purwiyatno Hariyadi - Transportasi Fluida 7

8 EQUATION OF CONTINUITY : Conservation of mass Consider the flow of fluid through a tube of varying cross-sectionsection P A A P Mass of fluid passing point P during time interval Δt t is: δ A v Δ t m Mass of fluid passing point P during time interval ΔΔt t is: δ m Δ V A v ( Δ ) t Δ V is the volume of fluid that passes P during Δt Δ Volume cross-sectional sectional area x Δ distance cross-sectional sectional area x velocity x Δ distance EQUATION OF CONTINUITY : Conservation of mass Fluid is incompressibble ( ), and no fluid leaks out or is added through the walls of the pipe (δm δm ) and thus: A v Δ t A v Δ t A v A v Equation of continuity the products A v is the volume flow rate (Q) debit Q dv dt m 3 sec Q Q Volume flow rate is constant (for incompressibel fluids) Purwiyatno Hariyadi - Transportasi Fluida 8

9 P A Kesetimbangan Momentum P A.. M M Momentum masa x kecepatan aliran M m x v [] kg.m.s - Laju aliran momentum. laju aliran masa x kecepatan. M m x v [] (kg.s - )(ms - ) kg.m.s -.. M mv qv Kesetimbangan Energi. Persamaan Bernoulli P P A Umum: A Δ P KE g Δ h Δ w Ef Δ P : Δ energi potensial karena adanya ΔP; perb. tekanan gδh : Δ energi potensial karena adanya Δh; perb. elevasi/ketinggian Δ KE : Δ energi kinetik W: kerja pompa Ef: kehilangan energi krn gesekan Purwiyatno Hariyadi - Transportasi Fluida 9

10 Energy terms Involved in the Mechanical Energy Balance For Fluid Flow in a Piping System, the formula for calculating them, and their unit Energy Term... Formula Potential E... Formula (basis : kg)... Unit - pressure -elevation... m(p/)... mgh... P/... gh... J/kg... J/kg Kinetic E... (/)mv Work (Pump input)... W... (/)v... W... J/kg... J/kg Frictional Resistance... (mδ P f )/... Δ P f /... J/kg Kesetimbangan Energi. Persamaan Bernoulli Δ P g Δ h Δ EK w E f Δ(EK/ (EK/) d αv... > f(n,re) N, Newtonian Laminar V, α Turbulen V, α N, NonNewtonian Non-Newtonian Newtonian α V α ( )( ) n ( ) 3 3n 5n 3 V Purwiyatno Hariyadi - Transportasi Fluida 0

11 Kesetimbangan Energi. Persamaan Bernoulli Δ P g Δ h Δ KE w E f P h v W P h v Δ P f Tahanan krn gesekan?? E f : tahanan karena pipa lurus E f : tahanan karena penyempitan pipa E f3 : tahanan karena ekspansi pipa f4 : tahanan karena sambungan/fitting & valve E f4 Pipa Lurus Aliran fluida dalam pipa selalu diikuti dengan penurunan tekanan (pressure drop Δ P) :...> karena adanya tahanan gesek (pipa fluida)...> besarnya Δ P f(sifat fluida, dimensi pipa)...> perlu energi untuk menyebabkan aliran...> pompa? Purwiyatno Hariyadi - Transportasi Fluida

12 Pipa Lurus Untuk Fluida Newtonian : Persamaan Posieuille ΔP L 3vμ D Pers Fanning ΔP L ΔP L ΔP 3 vμ D 6 Re f( v ) L D (Dv)/ Dv)/μ. Re ( v ) () D Pers ttg faktor gesekan Jadi, untuk fluida Newtonian f 6/Re DV Re m Re < 00 : laminar Re > 00 : turbulen Pipa Lurus Untuk Aliran Turbulen Sangat dipengaruhi oleh Re Hubungan Re, kekasaran permukaan pipa (e/d) dan f diperoleh secara empiris (dengan menggunakan chart faktor gesekan diagram Moody). dimana: Purwiyatno Hariyadi - Transportasi Fluida

13 DIAGRAM MOODY, f Factor Gesekan 6/Re, tidak dipengaruhi oleh kekasaran pipa k/d ive Roughness, Relati Purwiyatno Hariyadi KEKASARAN RELATIF Kekasaran Relatif k/d k kekasaran permukaan pipa bagian dalam D diameter dalam pipa Purwiyatno Hariyadi Purwiyatno Hariyadi - Transportasi Fluida 3

14 Purwiyatno Hariyadi Newtonian Pipa Lurus Re N Re Dv/ Dv/μ Untuk Re < > f 6/Re Untuk Re > 00 - Pipa halus (k/d0)... > f 0.93 (Re) x0 3 <Re< > f 0.048(Re) <Re<0 6 - Pipa kasar (k/d > 0)... > lihat diagram Moody Purwiyatno Hariyadi - Transportasi Fluida 4

15 Non-Newtonian?? Newtonian?? ΔPR L LK ( v ΔP ( R) n ) n n v 3n K R n 3n n ( 6/ Re )(v ) L ΔP R n Pipa Lurus n 8( v ) -n ( R ) Re Re n Ge 3n K Jika n Re Ge < 00 : laminar... > f 6/Re Ge Untuk Re Ge > 00 - Pipa halus (k/d0)... > f 0.93 (Re) x0 3 <Re< > f 0.048(Re) <Re<0 6 - Pipa kasar (k/d > 0)... > lihat diagram Moody Kontraksi/Penyempitan V D D Ef Δ P V k f f 3 α k f D D D D, untuk D D D, untuk D < > Purwiyatno Hariyadi - Transportasi Fluida 5

16 3 Ekspansi/Pengembangan v A A E f 3 Δ P f 4 V α A - A 4 Pipe fittings Pipe fittings -elbows - tees - valves -etc Berkontribusi pada kehilangan energi krn gesekan Purwiyatno Hariyadi - Transportasi Fluida 6

17 4 Pipe fittings... 4 Pipe fittings..3 Table 6.3 (Toledo, 99, p. 8) the equivalen length of fittings Fittings L /D (dimensionless) 90 o Elbow, std o Elbow, std 5 Tee (used as coupling), brach plugged 0 Tee (used as an elbow) entering the branch Gate valve, fully open 0 Globe valve, fully open 90 Coupling and union negligible Purwiyatno Hariyadi - Transportasi Fluida 7

18 Stainless Steel Tubing and Pipe Diameters (all dimensions are inches) Nominal Size / / / / Sanitary Tubing I.D. O.D Schedule 40 Pipe I.D. O.D Purwiyatno Hariyadi 4 Pipe fittings... 4 Contoh : L /D L/D untuk 90 o Elbow std 35. Digunakan untuk menyambung sanitary tubing dengan ukuran nominal inci. Artinya? L /D 35 L 35D D???... > Sanitary tube inci nominal : ID.870, OD.000 L 35(.87)65.45 Inci Jadi, sambungan (90 o elbow) akan memberikan tahanan yang sama besarnya dengan pipa (Sanitary tube inci) lurus dgn panjang in. Purwiyatno Hariyadi Purwiyatno Hariyadi - Transportasi Fluida 8

19 4 Pipe fittings... 5 Ef 4 P V Δ k f f 3 α Kf ditetapkan dengan percobaan 90 o elbow, std Kf o bend, close turn Kf.5 gate valve, open Kf 0.7 Globe valve, open Kf 6.0 dll (Chem Eng Handbook, 973) Purwiyatno Hariyadi SELESAI...untuk Aliran Fluida selamat belajar untuk UTS Purwiyatno Hariyadi - Transportasi Fluida 9