NERACA MASA DAN ENERGY NERACA ENERGI

NERACA MASA DAN ENERGY

N E RA CA EN E R G I

Recommended Textbooks: Toledo, R.M., 2010, Fundamentals of Food Process Engineering (3rd edition), Springer. Sing, R.P. and D.P. Heldman, 2008, Introduction to Food Engineering (4th edition), Academic Press. McCabe, W., J. Smith, P. Harriot, 2004, Unit Operations of Chemical Engineering (7th edition), McGraw-Hill Science.

Jurusan Teknologi Hasil Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Lampung�1

1

Jurusan Teknologi Hasil Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Lampung

• Neraca Energi didasarkan pada Hukum Termodinamika I • Energy In (I) = Energy Out (O) + Accumulation (A) • jika A = 0, dan Proses Steady State, • maka: I = O • Energy gain by component 1 = Energy loss by

component 2

• Sensible Heat = the energy transferred between two bodies at different temperatures or the energy present in a body by its temperature.

• Latent heat = the energy associated with phase transitions, • heat of fusion, from solid to liquid, • heat of vaporization, from liquid to vapor�2

PRINSIP DASAR

ENERGY TERMINOLOGY

2

Persamaan entalpi, H = m (kg) . Cp (kJ/kgoK) . (T -Tref) (oK) dH = q = m (kg) . Cp (kJ/kgoK) . (T2-T1) (oK)

q In General, Cp = ——————— m . (T2-T1)


➡ Panas yang diperlukan untuk menaikan 1 unit suhu pada 1 unit masa.

➡ Bahan mengandung: Air (M), padatan non lemak (S), protein (P), karbohidrat (C), abu (A), dan lemak (F) mempunyai Cp berbeda,

➡ Maka Cp merupakan gabungan dari Cp air, Cp padatan non lemak (protein, karbohidrat, abu), dan Cp lemak, menjadi Cp rata-rata (Cpa).�3

PANAS JENIS (Cp)3

B. Bila terdapat lemak dalam bahan

(BTU) Cpa = 0,4 F + 0,2 S + M BTU/(lboF)

(SI) Cpa =1674,7F + 837,4S + 4l86,8M J/(kgoK)

Panas Jenis ...


Rumus mencari Cpa*):

A. Bila hanya mengandung air dan padatan non lemak

(BTU) Cpa = 1,0 M + 0,2 (1-M) BTU/(lboF) = 0,8 M + 0,2 BTU/(lboF)

(SI) Cpa = 4186,8 M + 837,4 (1-M) J/(kgoK) = 3349,4 M + 837,4 J/(kgoK)

*) pada suhu di atas titik beku air�4

4

Panas Jenis ...


Soal 1. Hitung panas jenis jus mangga yang mengandung padatan 30%. (hitung dalam BTU dan SI)

Soal 2. Tentukan panas jenis Roast Beef yang mengandung 15% protein, 20% lemak.(hitung dalam BTU dan SI)

Soal 3. Hitung energi yang diperlukan untuk memanaskan 4.535 kg (10 lb) daging yang mengandung 15% protein, 20% lemak, dari suhu 4.44oC (40oF) ke suhu 65.55oC (150oF). Hitung dalam (a) BTU, (b) joules, dan (c) watt-hour (1 J/s= 1W).

�5

5

Panas Jenis …….

Persen karbohidrat (C), protein (P), lemak (F), abu (A), dan air (M) diketahui,

Panas jenis rata-rata adalah: [Dalam SI = J/(kgoK)]

Cpa = 1424 C + 1549 P + 1675 F + 837 A + 4187 MSoal 4.

Hitung panas jenis suatu produk pangan yang mengandung 15% protein, 20% pati, 1% serat, 0.5% abu, 20% lemak, dan 43.5% pada suhu 20oC. (SI).

Soal 5.

Berapa energi yang diperlukan untuk memanaskan 100kg/min. produk tersebut di atas (soal 4) mejadi 90oC.

C. Bila semua komponen diketahui

Jurusan Teknologi Hasil Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Lampung�6

6

PANAS JENIS GAS• Panas jenis gas tergantung pada apakah proses ini

dilakukan pada tekanan konstan atau pada volume konstan.

• Jika gas dipanaskan dengan meniup udara di elemen pemanas, proses adalah proses tekanan konstan.

• Panas jenis ditunjuk oleh Cp, panas spesifik pada tekanan konstan.

• Panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu gas dengan massa, m, dari suhu T1 ke T2, pada tekanan konstan dihitung sebagai berikut:

dH = q = m.C’p (T2 − To) − m.C′’p (T1 − To)Dimana, C’p = panas jenis gas dari suhu referen (To) ke T1, C′‘p = panas jenis gas dari suhu To ke T2, To = suhu referen dimana suhu pada saat panas jenis gas (Cp) di tentukan (77oF atau 25oC) Jurusan Teknologi Hasil Pertanian

Fakultas Pertanian Universitas Lampung�7

7


SIFAT SATURATED AND SUPERHEATED STEAM• Air dan Steam = medium pindah panas penting dalam

pengolahan pangan. • Pada suhu di atas freezing point, air dapat dalam

bentuk (fase): 1. Saturated Liquid: Air dalam kondisi setimbang

dengan uapnya. 2. Saturated Vapor (Steam) : Uap air pada suhu air

mendidih. 3. Superheated Steam: Uap air pada suhu lebih tinggi

dari suhu air mendidih. • Vapor-Liquid Mixtures: Uap air yang jumlahnya kurang

dari 100%. • Steam Quality: Persetase campuran uap dan air yang

membentuk saturated vapor..�8

8


Pressure–enthalpy diagram for steam–water and vapor. (From Straub and Scheibner, 1984)

192 CHAPTER 3 Energy and Controls in Food Processes

temperature increases to 100!C at point B on the saturated liquid curve. The enthalpy content of saturated water at point B is H c (refer-ring to enthalpy of condensate), which can be read off the chart as 420 kJ/kg. Further addition of thermal energy (in the form of latent heat) causes a phase change. As additional heat is added, more liquid water changes to vapor state. At point C, all the water has changed into vapors, thus producing saturated steam at 100!C. The enthalpy of saturated steam at point C is H v (referring to enthalpy of saturated vapors) or 2675 kJ/kg. Further addition of thermal energy results in superheated steam at the same pressure but higher temperatures.

■ Figure 3.5 Pressure–enthalpy diagram for steam–water and vapor. (From Straub and Scheibner, 1984 )

419 Hc

335 2676 Hv

2875 Hs

�9

9

• The percentage of a vapor-liquid mixture that is in the form of saturated vapor

• Bila diketahui steam quality adalah 70%, maka 0.7 adalah steam (uap panas) (xs = 0.7) dan sisanya (0.3) adalah air (kondensat).

• Entalphy untuk steam quality kurang dari 100% adalah dH = q = (1 - xs) Hc + xs.Hv

Dimana: Hc = H condensate(cair), dan Hv = H vapor(uap)

STEAM QUALITY

• Specific Volume untuk steam quality kurang dari 100% adalah

V = (1 - xs) Vc + xs.Vv

Dimana: Vc = V condensate(cair), dan Vv = V vapor(uap) Jurusan Teknologi Hasil Pertanian

Fakultas Pertanian Universitas Lampung�10

10


STEAM TABLE

• Steam table adalah tabulasi nilai-nilai sifat saturated steam dan superheated steam.

• Sifat-sifat saturated steam dan superheated steam yang dapat diketahui dari Steam Table adalah suhu, tekanan absolut, volume jenis, dan entalpi dari masing-masing fase air dan steam.

• Steam Table:

1. Saturated steam pada Appendix Table A.4.2.

2. Superheated Steam pada Appendix Table A.4.3.

�11

11


795

Table A.4.3 Properties of Superheated Steam

Absolute pressure (kPa, with sat.

temperature, ° C) a

Temperature ( ° C)

100 150 200 250 300 360 420 500

10 (45.81)

V H s

17.196 2687.5 8.4479

19.512 2783.0 8.6882

21.825 2879.5 8.9038

24.136 2977.3 9.1002

26.445 3076.5 9.2813

29.216 3197.6 9.4821

31.986 3320.9 9.6682

35.679 3489.1 9.8978

50 (81.33)

V H s

3.418 2682.5 7.6947

3.889 2780.1 7.9401

4.356 2877.7 8.1580

4.820 2976.0 8.3556

5.284 3075.5 8.5373

5.839 3196.8 8.7385

6.394 3320.4 8.9249

7.134 3488.7 9.1546

75 (91.78)

V H s

2.270 2679.4 7.5009

2.587 2778.2 7.7496

2.900 2876.5 7.9690

3.211 2975.2 8.1673

3.520 3074.9 8.3493

3.891 3196.4 8.5508

4.262 3320.0 8.7374

4.755 3488.4 8.9672

100 (99.63)

V H s

1.6958 2676.2 7.3614

1.9364 2776.4 7.6134

2.172 2875.3 7.8343

2.406 2974.3 8.0333

2.639 3074.3 8.2158

2.917 3195.9 8.4175

3.195 3319.6 8.6042

3.565 3488.1 8.8342

150 (111.37)

V H s

1.2853 2772.6 7.4193

1.4443 2872.9 7.6433

1.6012 2972.7 7.8438

1.7570 3073.1 8.0720

1.9432 3195.0 8.2293

2.129 3318.9 8.4163

2.376 3487.6 8.6466

400 (143.63)

V H s

0.4708 2752.8 6.9299

0.5342 2860.5 7.1706

0.5951 2964.2 7.3789

0.6458 3066.8 7.5662

0.7257 3190.3 7.7712

0.7960 3315.3 7.9598

0.8893 3484.9 8.1913

700 (164.97)

V H s

0.2999 2844.8 6.8865

0.3363 2953.6 7.1053

0.3714 3059.1 7.2979

0.4126 3184.7 7.5063

0.4533 3310.9 7.6968

0.5070 3481.7 7.9299

1000 (179.91)

V H s

0.2060 2827.9 6.6940

0.2327 2942.6 6.9247

0.2579 3051.2 7.1229

0.2873 3178.9 7.3349

0.3162 3306.5 7.5275

0.3541 3478.5 7.7622

1500 (198.32)

V H s

0.13248 2796.8 6.4546

0.15195 2923.3 6.7090

0.16966 3037.6 6.9179

0.18988 3.1692 7.1363

0.2095 3299.1 7.3323

0.2352 3473.1 7.5698

2000 (212.42)

V H s

0.11144 2902.5 6.5453

0.12547 3023.5 6.7664

0.14113 3159.3 6.9917

0.15616 3291.6 7.1915

0.17568 3467.6 7.4317

2500 (223.99)

V H s

0.08700 2880.1 6.4085

0.09890 3008.8 6.6438

0.11186 3149.1 6.8767

0.12414 3284.0 7.0803

0.13998 3462.1 7.3234

3000 (233.90)

V H s

0.07058 2855.8 6.2872

0.08114 2993.5 6.5390

0.09233 3138.7 6.7801

0.10279 3276.3 6.9878

0.11619 3456.5 7.2338

Source: Abridged from Keenan et al. (1969) . Copyright © 1969 by John Wiley and Sons. Reprinted by permission of John Wiley and Sons, Inc. a V, specifi c volume, m3/kg; H, enthalpy, kJ/kg; s, entropy, kJ/kg K .

A.4 Physical Properties of Water and Air

�12

794 Appendices

Table A.4.2 (Continued)

Specifi c volume (m3/kg) Enthalpy (kJ/kg) Entropy (kJ/[kg ° C])

Temperature ( ° C)

Vapor pressure

(kPa)

Liquid

Saturated

vapor

Liquid

(Hc)

Saturated vapor

(Hv)

Liquid

Saturated

vapor

55 15.758 0.0010146 9.568 230.23 2600.9 0.7679 7.9913

60 19.940 0.0010172 7.671 251.13 2609.6 0.8312 7.9096

65 25.03 0.0010199 6.197 272.06 2618.3 0.8935 7.8310

70 31.19 0.0010228 5.042 292.98 2626.8 0.9549 7.7553

75 38.58 0.0010259 4.131 313.93 2635.3 1.0155 7.6824

80 47.39 0.0010291 3.407 334.91 2643.7 1.0753 7.6122

85 57.83 0.0010325 2.828 355.90 2651.9 1.1343 7.5445

90 70.14 0.0010360 2.361 376.92 2660.1 1.1925 7.4791

95 84.55 0.0010397 1.9819 397.96 2668.1 1.2500 7.4159

100 101.35 0.0010435 1.6729 419.04 2676.1 1.3069 7.3549

105 120.82 0.0010475 1.4194 440.15 2683.8 1.3630 7.2958

110 143.27 0.0010516 1.2102 461.30 2691.5 1.4185 7.2387

115 169.06 0.0010559 1.0366 482.48 2699.0 1.4734 7.1833

120 198.53 0.0010603 0.8919 503.71 2706.3 1.5276 7.1296

125 232.1 0.0010649 0.7706 524.99 2713.5 1.5813 7.0775

130 270.1 0.0010697 0.6685 546.31 2720.5 1.6344 7.0269

135 313.0 0.0010746 0.5822 567.69 2727.3 1.6870 6.9777

140 361.3 0.0010797 0.5089 589.13 2733.9 1.7391 6.9299

145 415.4 0.0010850 0.4463 610.63 2740.3 1.7907 6.8833

150 475.8 0.0010905 0.3928 632.20 2746.5 1.8418 6.8379

155 543.1 0.0010961 0.3468 653.84 2752.4 1.8925 6.7935

160 617.8 0.0011020 0.3071 675.55 2758.1 1.9427 6.7502

165 700.5 0.0011080 0.2727 697.34 2763.5 1.9925 6.7078

170 791.7 0.0011143 0.2428 719.21 2768.7 2.0419 6.6663

175 892.0 0.0011207 0.2168 741.17 2773.6 2.0909 6.6256

180 1002.1 0.0011274 0.19405 763.22 2778.2 2.1396 6.5857

190 1254.4 0.0011414 0.15654 807.62 2786.4 2.2359 6.5079

200 1553.8 0.0011565 0.12736 852.45 2793.2 2.3309 6.4323

225 2548 0.0011992 0.07849 966.78 2803.3 2.5639 6.2503

250 3973 0.0012512 0.05013 1085.36 2801.5 2.7927 6.0730

275 5942 0.0013168 0.03279 1210.07 2785.0 3.0208 5.8938

300 8581 0.0010436 0.02167 1344.0 2749.0 3.2534 5.7045

Source: Abridged from Keenan et al. (1969) . Copyright © 1969 by John Wiley and Sons. Reprinted by permission of John Wiley and Sons, Inc.

12


Soal 7. Tentukan tekanan vakum yang memungkinkan air menguap pada suhu 60oC.

Soal 8. Hitung entalphy dan volume steam yang bersuhu 120oC dengan 80% quality.

Soal 10. Hitung entalphy yang dilepaskan oleh steam yang suhu 120oC dan tekanan 198,5 Kpa yang didinginkan menjadi suhu 105oC pada tekanan yang sama.

Soal 9. Tentukan tekanan yang dihasilkan dari memanaskan air hingga suhu 135oC. Bila tekanan tersebut tidak dapat tercapai, bisakah suhu air tersebut tercapai.

�13

13


Soal 13. Jika 1 kg air suhu 125oC tekanannya diturunkan dari 361 KPa menjadi 101 KPa (a) Tentukan suhu air pada tekanan 101 KPa (b) Persentase steam setelah penurunan tekanan.

Soal 12. Hitung entalphy superheated steam pada suhu 170oC dan tekanan 140 KPa.

Soal 11. Berapa energy yang diperlukan untuk mengubah air suhu 40oC menjadi steam suhu 150oC pada tekanan 100KPa.

Soal 14. Tentukan kualitas steam pada tekanan 169 KPa, jika energi sebesar 270 KJ/kg dikeluarkan dari saturated steam. Tentukan steam quality bila suhu dan tekanannya tidak berubah.

�14

14


• Neraca Energi didasarkan pada Hukum Termodinamika I • Energy In (I) = Energy Out (O) + Accumulation (A) • jika A = 0, dan Proses Steady State, • maka: IN = OUT • Energy gain by component 1 = Energy loss by

component 2

Ws1,Ms1,Ts1,Hs1 Ws2,Ms2,Ts2,Hs2

Wp1,Mp1,Tp1,Hp1 Wp2,Mp2,Tp2,Hp2

Ts1 > Tp1

�15

PRINSIP DASAR NERACA ENERGI

Ws1Hs1+Wp1Hp1 = Ws2Hs2+Wp2Hp2

15


Soal 16A. Hitung jumlah air yang harus dipasok ke heat exchanger untuk mendinginkan 100 kg/jam pasta tomat dari 90oC sampai 20oC. Pasta tomat mengandung padatan 40%. Peningkatan suhu air harus tidak melebihi 10oC saat melewati heat exchanger. Tidak terjadi pencampuran air dan pasta tomat dalam heat exchanger.

�16

Soal 15. Susu cair dipanaskan dari 60oC ke 115oC pada laju 500 kg/jam dengan menggunakan uap sebagai media pemanas. Sistem ini dirancang untuk memungkinkan suhu condensate yang keluar sama dengan suhu produk. Jika panas jenis susu adalah 3.86 kJ/(kg°C), tentukan berat dan volume steam suhu 120oC yang diperlukan.

16

�17

Soal 16B. Susu cair dipanaskan dari 60oC ke 115oC pada laju 500 kg/jam dengan menggunakan uap sebagai media pemanas. Heat exchanger yang digunakan memiliki efisiensi 90%, dan steam quality adalah 90%. Suhu awal steam adalah 120oC. Sistem ini dirancang untuk memungkinkan suhu condensate yang keluar sama dengan suhu produk. Jika panas jenis susu adalah 3.86 kJ/(kg°C), tentukan berat dan volume steam yang diperlukan.


17

Soal 17. Sebuah alat pemanas (blancher) dengan menggunakan air sebagai media pemanas mempunyai total input energy sebesar 2,71 MJ/jam. Alat tersebut digunakan untuk memblanching apel dengan flow rate 860 kg/jam. Dari hasil penelitian menunjukan bahwa pada proses blanching, buah apel akan menyerap panas sebesar 1,38 kJ/kg buah apel. Dikarenakan tidak dilapisi oleh insulator, menyebabkan energy hilang pada blancher sebesar 0,24 MJ/jam. Hitung: 1. Total energy yang diserap oleh apel/jam. 2. Total energy panas yang tersisa pada air, setelah

proses blanching selesai (1 jam proses). 3. Energi yang diperlukan untuk memanaskan air ke suhu

semula (sebelum blanching).�18


18


Soal 19. Jus buah dengan kadar padatan 12% dipanaskan secara langsung (steam injection) dengan steam bertekanan 232 kPa. Sebanyak 100 kg/min jus dipanaskan dari suhu 50oC menjadi 120oC. Hitung berat dan kualitas steam (steam quality) yang ditambahkan supaya jus buah yang keluar dari alat berkadar padatan 10%. Panas jenis jus yang masuk alat pemanas berbeda dengan yang kaluar pemanas.

Soal 18. Hitung berat dan kualitas steam bersuhu 120oC yang ditambahkan secara langsung (direct injection) kedalam 100 kg saus tomat yang mengandung padatan 40% sehingga suhunya meningkat dari 15oC menjadi 85oC, dan kadar padatannya menjadi 35%. Panas jenis tomat 2.85 Kj/kgC, dan tidak terjadi perubahan panas jenis saus tomat yang keluar alat.

�19

19


Soal 20. Pada proses pembuatan bahan pengisi (pie filler) untuk Apple Pie, jam (selai) buah apel dicampur dengan larutan gula dan selanjutnya panaskan dengan “direct steam injection” hingga 115oC. Komposisi “pie filler” yang keluar dari pemanasan mengandung padatan 25% dan gula 15%. Jam (selai) buah apel mengandung 40% padatan, bersuhu 40oC sebanyak 60kg/menit, sedangkan larutan gula yang digunakan mengandung 60% padatan gula dan bersuhu 50oC. Steam yang di-injeksikan ke produk bertekanan 198 kPa. Hitung: a. Berat produk yang dihasilkan. b. Berat larutan gula yang diperlukan. c. Berat steam (uap panas) yang diperlukan. d. Kualitas steam (uap panas) yang digunakan.

�20

20

NERACA MASA DAN ENERGY NERACA ENERGI

Documents