REOLOGI BAHAN PANGAN - phariyadi.staff.ipb.ac.id · konstanta pegas 0-100% Gaya bekerja pada...
Transcript of REOLOGI BAHAN PANGAN - phariyadi.staff.ipb.ac.id · konstanta pegas 0-100% Gaya bekerja pada...
ITP530 2/18/2014
http://phariyadi.staff.ipb.ac.id/teaching/Reologi-Aliran Fluida
1
REOLOGI BAHAN PANGAN
REOLOGI BAHAN PANGAN
Purwiyatno Hariyadi
Dept of Food Science and TechnologyFaculty of Agricultural Engineering and TechnologyBogor Agricultural UniversityBOGOR
11ITP530
MENGAPA BELAJARREOLOGI?
• Bahan pangan fluida??- saus tomat- es krim- coklat
• Keperluan Disain Proses• Evaluasi Proses• QC• Konsumen
- pudding/gel?
ITP530 2/18/2014
http://phariyadi.staff.ipb.ac.id/teaching/Reologi-Aliran Fluida
2
Fluid Foods
FLUIDA :Senyawa/bahan yang dapat mengalir tanpa mengalami “disintegrasi” jika dikenakan tekanan kepada bahan tersebut.
Karakteristik Aliran ………………> REOLOGI
FLUIDA : GASCAIRANPADATAN
Karakteristik Fluida
Densitas : massa per satuan volume
SI : kg.m-3
Lainnya : lbm.ft-3g.cm-3
Kompresabilitas :Perubahan densitas fluida karena perubahan suhu atau tekanan- sangat penting untuk gas- dapat diabaikan untuk cairan
Viskositas................?
ITP530 2/18/2014
http://phariyadi.staff.ipb.ac.id/teaching/Reologi-Aliran Fluida
3
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)
dydV
AF
=
BATASAN VISKOSITASBATASAN VISKOSITAS
Tentukan satuan Viskositas ...... Tentukan satuan Viskositas ......
det.cm
det.cm.g2
2
=
[=] g cm-1det-1
dydv
AF
Diketahui Hk Newton ttg viskositas
Prinsip : Fungsi ..>mempunyai dimensi/satuan yg homogen
dydv
AF 1
cm
det/cmcm
dyne 1
2
det.cm
det.cm.g2
2
=
-1
= poise
ITP530 2/18/2014
http://phariyadi.staff.ipb.ac.id/teaching/Reologi-Aliran Fluida
4
Note : [=] g cm-1det-1 = poise
1 poise = 100 cp
Contoh:air (20oC, 1 atm) = 1.0019 cpair (80oC, 1 atm) = 0.3548 cp
udara (20oC, 1 atm) = 0.01813 cp
C2H5OH (lq; 20oC, 1 atm) = 1.194 cpH2SO4 (lq; 25oC, 1 atm) = 19.15 cpglycerol (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 2/18/2014
http://phariyadi.staff.ipb.ac.id/teaching/Reologi-Aliran Fluida
5
NON-NEWTONIANNON-NEWTONIAN
n : Indeks tingkah laku aliran (flow behavior index)K : Indeks konsistensi (consistency index)
= 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”
n : Indeks tingkah laku aliran (flow behavior index)K : Indeks konsistensi (consistency index)o : gaya geser awal (yield stress)
A. Bingham plastiko + K()
.
.o
B. Fluida H - B= o + K()n; n<1.
2
ITP530 2/18/2014
http://phariyadi.staff.ipb.ac.id/teaching/Reologi-Aliran Fluida
6
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?
NON-NEWTONIANNON-NEWTONIAN
3
Dapat pula digunakan viskositas apparent (app)
app = Newtonian
app = .
Non-Newtonian app = = Kn-1.
VISKOSITAS = f()? Pengaruh shear rateVISKOSITAS = f()? Pengaruh shear rate..
ITP530 2/18/2014
http://phariyadi.staff.ipb.ac.id/teaching/Reologi-Aliran Fluida
7
app
t, waktu
VISKOSITAS = f(t)? Pengaruh waktuVISKOSITAS = f(t)? Pengaruh waktu
Time independent (Newtonian)
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)? Pengaruh suhuVISKOSITAS = f(T)? Pengaruh suhu
ITP530 2/18/2014
http://phariyadi.staff.ipb.ac.id/teaching/Reologi-Aliran Fluida
8
Mencari K ??
- ingat model umum : = o + K()n
- linierkan :…………….> ln (-o) = ln K + n ln
- asumsikan o…..> 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
NON-NEWTONIAN Vs NEWTONIAN :NON-NEWTONIAN Vs NEWTONIAN :
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
Ln
Ln
Ln K
ITP530 2/18/2014
http://phariyadi.staff.ipb.ac.id/teaching/Reologi-Aliran Fluida
9
Fluida
R
Torsi, T
VISKOMETER ROTASIONAL
Silider luar (ID) : diam
Torsi yang diperlukan untuk memutar silinder dalam diukur dan dicatat konstanta pegas 0-100%
Gaya bekerja pada permukaan silinder dalam :
F = T/R
Gaya geser di dinding :
(2L)RT
2RL
1
R
T
2w ==
L
2RN
w
.
Laju geser di dinding :
Silider dalam :Berputar (OD)
N= rpm (radius/minute)
Faktor untuk Brookfield model LV (spindle #3) (untuk menentukan nilai
viskositas apparent)
Kecepatan rotasi (rpm) Faktor
0,30,61,536123060
400020008004002001004020
ITP530 2/18/2014
http://phariyadi.staff.ipb.ac.id/teaching/Reologi-Aliran Fluida
10
Contoh soal
Untuk menghitung sifat fluida dari sauce, dilakukan pengukuran dengan menggunakan viscometer rotational dan diperoleh data hubungan antara shear stress () dan shear rate () (lihat Tabel). 1. Buat grafik hubungan vs 2. Tentukanlah: nilai n, K dan yield stress (o)
Data hasil pengukuran dengan Rotational viskometer
Shear stress (, N/m2) Shear rate (, 1/det)
16.5 1.16
22.7 2.33
33.6 5.82
39.9 11.64
Rumus: = Kn Ln = LnK + nLn
Rubah data dalam bentuk Ln Plot grafik Ln SR (x) vs Ln SS (y)
ITP530 2/18/2014
http://phariyadi.staff.ipb.ac.id/teaching/Reologi-Aliran Fluida
11
Y = 0.3892x + 2.7748
Dimana: Y = ln()
x = ln()
n = 0.3892 (pseudoplastic)
lnK = 2.7748 K = 16.04 Pa.sn
y = 0.3892x + 2.7748
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0Ln(SR)
Ln(S
S)
Menghitung Yield stress o) = o + Kn
Plot hubungan: vs n = o + K0.3892
Y =
o = 1.13 N/m2
y = 15.379x + 1.1329
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
SRn
SS
(N
/m2)
ITP530 2/18/2014
http://phariyadi.staff.ipb.ac.id/teaching/Reologi-Aliran Fluida
12
Viskometer rotasional pada skala pembacaan penuh mempunyai konstanta pegas = 7187 dyne-cm.
Percobaan menunjukkan hasil sbb :
N (RPM) Torsi(% skala penuh)
2 154 2610 5320 93
Tentukan parameter reologinya! (n,K)
Fluida
Silider luar :ID = 1,5 cm
6 cm
OD = 1 cm
Contoh soal lain
w =T 7187(%T)
R2(2L) (0.5)2(2)(6)=
=(762.56)(%T)
2RN
w
.
2()(0.5)N= = 0.2094 N
(0.75-0.5)(60)
Buat plot ln w vs ln w…………………..
Konversi data N dan Torsi ke shear rate dan shear stress
Fluida
Silider luar :ID = 1,5 cm
6 cm
OD = 1 cm
Contoh soal …. (2)
ITP530 2/18/2014
http://phariyadi.staff.ipb.ac.id/teaching/Reologi-Aliran Fluida
13
2 0,15
4 0,26
10 0,53
20 0,93
N. rpm Torsi terbaca(%FS)
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
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
Contoh soal …. (3) ……………… analisis data
Hub antara ln w dan ln wdalam kertas grafik linier-linier
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
0 2 4 6 8
w, det-1
w (P
a)
Kemiringan : = (log 1000-log100)/(log 5,3-log 0,43)= 0.79
Intersep : K = 225 Pa.s
1
10
100
1000
0,1 1 10
Hub antara w dan w dalamkertas grafik log-log
w, det-1
w (P
a)
ITP530 2/18/2014
http://phariyadi.staff.ipb.ac.id/teaching/Reologi-Aliran Fluida
14
KECEPATAN ALIRAN FLUIDA NEWTONIAN DALAM PIPAKECEPATAN ALIRAN FLUIDA NEWTONIAN DALAM PIPA
Perhatikan : tabung silinder
L
panjang L,
R
Radius 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
r=R
r=0
Gaya bekerja pada permukaan silinder (r) ............> F= (P1-P2)(r2)Luas permukaan silinder ............> A = 2rLJadi, gaya geser (r) :
2LP.r
2LP2)r(P1
2rLP2)(r2)(P1 =
-=
-=
Ingat :
dydv
Jadi
drdv
2LP2)r(P1 -
KECEPATAN ALIRAN FLUIDA NEWTONIAN DALAM PIPAKECEPATAN ALIRAN FLUIDA NEWTONIAN DALAM PIPA
L
R
V
P1 P2
rdr
ITP530 2/18/2014
http://phariyadi.staff.ipb.ac.id/teaching/Reologi-Aliran Fluida
15
L
R
V
P1 P2
rdr
=
drdV
2LP2)r(P1 -
(-rdr)2L
)P(PdV 21 -
=
= r.dr2L
P2)(P1dV
C2r2
2LP2)(P1V(r) +
--=
Diketahui bahwa pada r=R ......> V=0maka, (P1-P2)(R2)
4LµC=
Jadi :
r2)(R24LP
r2)(R24L
P2)(P1V -=--
=
KECEPATAN ALIRAN FLUIDA NEWTONIAN DALAM PIPAKECEPATAN ALIRAN FLUIDA NEWTONIAN DALAM PIPA
DISTRIBUSI KECEPATANDISTRIBUSI KECEPATAN
r2)(R24LP
r2)(R24L
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
=
L
P1 P2R
r
ITP530 2/18/2014
http://phariyadi.staff.ipb.ac.id/teaching/Reologi-Aliran Fluida
16
The length of an arrow corresponds to the velocity of a particle.
DISTRIBUSI KECEPATAN
r2)(R24LP
r2)(R24L
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} = {2rdr+dr2}dr kecil mendekati nol , maka : (dr)2 .....> 0dA = 2 rdr
Laju aliran volumetrik melalui dA ...........> VdA = V(2rdr)Debit total (melalui A)
r2)(R24L
P2)(P1-
-...........> VdA = (2rdr)
ITP530 2/18/2014
http://phariyadi.staff.ipb.ac.id/teaching/Reologi-Aliran Fluida
17
KECEPATAN RATA-RATAKECEPATAN RATA-RATA
rdr
V
dA
r2)(R24L
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 (v) fluida dalam pipa
vmax
2Untuk Newtonian fluida: v =
(n+1)
(3n+1)Untuk Non-Newtonian fluida: v = vmax
ITP530 2/18/2014
http://phariyadi.staff.ipb.ac.id/teaching/Reologi-Aliran Fluida
18
Vel
ocit
y /
Ave
rage
vel
ocit
y (
v /
vm
ean)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Radial distance (r/R)
n = 3
n = 1
n = 0.4
n = 0.1
n = 0.8
n = 2
0.0
B: Velocity profiles as influenced by flow behavior index
A: Radial velocity and temperature profiles in a tube flow
Tube
Velocity (v)
r / R = 1
r / R = 0
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
tVQ h2
h1
kapiler
V
ITP530 2/18/2014
http://phariyadi.staff.ipb.ac.id/teaching/Reologi-Aliran Fluida
19
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
LQghR
K
88
44
tVQ
K = b t
V
KECEPATAN ALIRAN FLUIDA NON-NEWTONIAN DALAM PIPAKECEPATAN ALIRAN FLUIDA NON-NEWTONIAN DALAM PIPA
L
w 2
PR
oL
PR
KnP
Lv
n
n 2
1
1112
max
11
1
L
oL
PR
KnP
Lrv
n
o
n
n 2
Pr
2
1
1112
)(1111
1
nR
Vw 4
1
4
34
ITP530 2/18/2014
http://phariyadi.staff.ipb.ac.id/teaching/Reologi-Aliran Fluida
20
NON-NEWTONIAN Vs NEWTONIAN :NON-NEWTONIAN Vs NEWTONIAN :
L
w 2
PR
R
Vw4
= K()n
w = K(w)n
bnxy
2LR
logKlogR4
lognVlognPlog
RV4
lognKlog2LR
logPlog
RV4
K2L
RPn
Log V
Log P
2LR
logKlogR4
lognVlognPlog
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 2/18/2014
http://phariyadi.staff.ipb.ac.id/teaching/Reologi-Aliran Fluida
21
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 soal: 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
P,
Pa
1,6812-0,63352
=
0.523
n = 0.523
=
Berikutnya : K???
Contoh soal: Force Flow Tube or Capilary Viscometer
ITP530 2/18/2014
http://phariyadi.staff.ipb.ac.id/teaching/Reologi-Aliran Fluida
22
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
tauw
-w
Log-log plot :
logw = logK + nlogw
cek/recek nK = 5 pa.s0.5
Contoh soal: Force Flow Tube or Capilary Viscometer
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
198,27404,16
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: Analisis Data
ITP530 2/18/2014
http://phariyadi.staff.ipb.ac.id/teaching/Reologi-Aliran Fluida
23
Viskometer tabung digunakan untuk menentukan nilai kekentalan cairan pada laju aliran tertentu.
Cairan mengalami pressure drop sebesar 700 Pa setelah diberi gaya alir ke dalam tabung viskometer berdiameter 0,75 cm dan panjang 30 cm dengan laju aliran 50 cm3/detik.
Tentukanlah viskositas dari cairan tersebut! Hitunglah pula shear rate pada pada laju aliran tersebut!
Contoh soal:
Diketahui: P = 700 Pa, D = 0,75 cm atau R = 0,375 cm = 0,00375 m, L = 30 cm = 0.3 m, Q = 50 cm3/detik atau V=
50/(0.3752)=113.18 cm/s = 1,1318 m/s
8LV
P R2
=Viskositas apparent (µapp)700*(0.003752)
8*0.3*1,1318=
Shear rate () = 4VR
4*1,1318
0,00375= = 1294 s-1
Contoh soal:
ITP530 2/18/2014
http://phariyadi.staff.ipb.ac.id/teaching/Reologi-Aliran Fluida
24
Check juga kehttp://www.egr.msu.edu/bae/profiles/james-steffe
(bisa unduh buku (i) Rheology dan (ii) pipeline design
....
Selesai......................
http://phariyadi.staff.ipb.ac.id/teaching/