NERACA ENERGI SATUAN OPERASI I. q In General, C p = m. (T 2 -T 1 ) Recommended Textbooks:

(1)

SATUAN OPERASI I

N E R A C A E N 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

PRINSIP DASAR:

•

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

ENERGY TERM:

•

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 vaporJurusan Teknologi Hasil Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Lampung

2 PANAS JENIS (Cp): Persamaan entalpi, q = m (kg) . Cp (J/kgo_{K) . (T}₂_-T₁_{) (}o_K) q In General, Cp = ——————— m . (T2-T1)

➡ Panas yang diperlukan untuk menaikan 1 unit suhu pada 1

unit masa.

➡ _{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).

B. Bila terdapat lemak dalam bahan

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

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

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

= 3349,4 M + 837,4 (1-M) J/(kgo_K)

(2)

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 4.44o_{C (40}o_{F) ke suhu 65.55}o_{C (150}o_{F). Hitung}

dalam (a) BTU, (b) joules, dan (c) watt-hour (1 J/s= 1W).

5

Panas Jenis

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

Panas jenis rata-rata adalah: (Dalam SI = J/(kgo_K))

Cpa = 1424 C + 1549 P + 1675 F + 837 A + 4187 M

Soal 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 20o_{C. (SI).}

!

Soal 5.

Berapa energi yang diperlukan untuk memanaskan 100kg/

min. produk tersebut di atas (soal 4) mejadi 90o_C.

C. Bila semua komponen diketahui

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

(T

2

− T

o

) − m.C′’

p

(T

1

− T

o

)

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 (77o_{F atau 25}o_C) Jurusan Teknologi Hasil Pertanian

Fakultas Pertanian Universitas Lampung

Jurusan Teknologi Hasil Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Lampung 5.3 Enthalpy Changes in Foods During Freezing 137

Table 5.2 Mean Heat Capacities of Various Gases from 77◦_{F to Indicated Temperatue.}

Mean specific heat in BTU/lb(◦_F)

Temperature (◦_F) _O₂ _N₂ _CO₂ _H₂_{O vapor} _Air 77 0.219 0.248 0.202 0.446 0.241 100 0.219 0.248 0.203 0.446 0.241 200 0.221 0.249 0.209 0.448 0.241 300 0.223 0.249 0.216 0.451 0.242 400 0.224 0.250 0.221 0.454 0.242 500 0.226 0.250 0.226 0.457 0.243 600 0.228 0.251 0.231 0.461 0.245 700 0.230 0.253 0.236 0.456 0.246

Source: Calculated from Mean molal heat capacity of gases at constant pressure. In Harper, J. C.

1976. Elements of Food Engineering. AVI Publishing Co., Westport, Conn.

Example 5.8. Calculate the heating requirement for an air drier that uses 2000 ft3_{/min of air at}

1 atm and 170◦_{F, if ambient air at 70}◦_{F is heated to 170}◦_{F for use in the process.}

Solution:

q = mCpm(170 − 70)

m, the mass of air/min going through the drier, in pounds, will be calculated using the ideal gas

Table 5.3 Mean Heat Capacities of Various Gases from 25◦_{C to Indicated}

Temperature.

Mean specific heat J/kgK Temperature (◦_C) _O 2 N2 CO2 H2O vapor Air 25 916 1037 847 1863 1007 50 919 1039 858 1868 1008 100 926 1041 879 1880 1011 125 930 1043 889 1886 1012 150 934 1044 899 1891 1014 175 936 1045 910 1897 1015 200 938 1047 920 1903 1017 250 945 1049 941 1914 1020 300 952 1052 962 1925 1023 350 960 1054 983 1937 1026

Source: Calculated from Mean molal heat capacity of gases at constant pressure. In Harper, J.C.

1976 Elements of Food Engineering. AVI Publishing Co., Westport, Conn.

Soal 6.

Hitung energi panas yang diperlukan oleh alat pengering untuk

memanaskan 10m3_{/min. pada tekanan 1 atm dari suhu 50}o_C

ke 125o_C.

(3)

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..

9

Jurusan Teknologi Hasil Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Lampung Pressure–enthalpy diagram for steam–water and vapor. (From Straub and Scheibner, 1984)

335

419 2676 2875

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 )

10

•

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.

•

Entalphy untuk steam quality kurang dari 100% adalah

dH = q = (1 - xs) Hc + xs.Hv

STEAM QUALITY

•

Specific Volume untuk steam quality kurang dari 100%

adalah

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

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.

(4)

793

Table A.4.1 (Continued)

Density ρ (kg/m3₎ Coeffi cient of volumetric thermal expansion β (!10"4_K"1₎ Specifi c heat cp (kJ/ [kg ° C]) Thermal conductivity k (W/[m ° C]) Thermal diff usivity α (!10"6_m2_/s) Absolute viscosity µ (!10"6_{Pa s)} Kinematic viscosity ν (!10"6_m2_/s) Prandtl number NPr Temperature T ( ° C) (K) T 180 453.15 886.6 12.1 4.396 0.673 0.172 152.003 0.173 1.01 190 463.15 876.0 12.8 4.480 0.670 0.171 145.138 0.166 0.97 200 473.15 862.8 13.5 4.501 0.665 0.170 139.254 0.160 0.95 210 483.15 852.8 14.3 4.560 0.655 0.168 131.409 0.154 0.92 220 493.15 837.0 15.2 4.605 0.652 0.167 124.544 0.149 0.90 230 503.15 827.3 16.2 4.690 0.637 0.164 119.641 0.145 0.88 240 513.15 809.0 17.2 4.731 0.634 0.162 113.757 0.141 0.86 250 523.15 799.2 18.6 4.857 0.618 0.160 109.834 0.137 0.86 Source: Adapted from Raznjevic (1978)

Table A.4.2 Properties of Saturated Steam

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 0.01 0.6113 0.0010002 206.136 0.00 2501.4 0.0000 9.1562 3 0.7577 0.0010001 168.132 12.57 2506.9 0.0457 9.0773 6 0.9349 0.0010001 137.734 25.20 2512.4 0.0912 9.0003 9 1.1477 0.0010003 113.386 37.80 2517.9 0.1362 8.9253 12 1.4022 0.0010005 93.784 50.41 2523.4 0.1806 8.8524 15 1.7051 0.0010009 77.926 62.99 2528.9 0.2245 8.7814 18 2.0640 0.0010014 65.038 75.58 2534.4 0.2679 8.7123 21 2.487 0.0010020 54.514 88.14 2539.9 0.3109 8.6450 24 2.985 0.0010027 45.883 100.70 2545.4 0.3534 8.5794 27 3.567 0.0010035 38.774 113.25 2550.8 0.3954 8.5156 30 4.246 0.0010043 32.894 125.79 2556.3 0.4369 8.4533 33 5.034 0.0010053 28.011 138.33 2561.7 0.4781 8.3927 36 5.947 0.0010063 23.940 150.86 2567.1 0.5188 8.3336 40 7.384 0.0010078 19.523 167.57 2574.3 0.5725 8.2570 45 9.593 0.0010099 15.258 188.45 2583.2 0.6387 8.1648 50 12.349 0.0010121 12.032 209.33 2592.1 0.7038 8.0763 (Continued)

A.4 Physical Properties of Water and Air

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, m}3_{/kg; H, enthalpy, kJ/kg; s, entropy, kJ/kg K .}

A.4 Physical Properties of Water and Air

13

Soal 7.

Tentukan tekanan vakum yang memungkinkan air menguap

pada suhu 60o_C.

Soal 8.

Hitung entalphy dan volume steam yang bersuhu 120o_C

dengan 80% quality.

Soal 10.

Hitung entalphy yang dilepaskan oleh steam yang suhu

120o_{C dan tekanan 198,5 Kpa yang didinginkan menjadi suhu}

105o_{C pada tekanan yang sama.}

Soal 9.

Tentukan tekanan yang dihasilkan dari memanaskan air

hingga suhu 135o_{C. Bila tekanan tersebut tidak dapat}

tercapai, bisakah suhu air tersebut tercapai.

14

Soal 13.

Jika 1 kg air suhu 125o_{C tekanannya diturunkan dari 361}

KPa menjadi 101 KPa (a) Tentukan suhu air pada teakanan 101 KPa (b) Persentase steam setelah penurunan tekanan. Soal 12.

Hitung entalphy superheated steam pada suhu 170o_{C dan}

tekanan 140 KPa. Soal 11.

Berapa energy yang diperlukan untuk mengubah air suhu

40o_{C menjadi steam suhu 150}o_{C pada tekanan 100KPa.}

Soal 14.

Tentukan kualitas steam pada tekanan 169 KPa, jika energi sebesar 270 KJ/kg dikeluarkan dari saturated steam.

Berapa suhu steam. Jurusan Teknologi Hasil Pertanian

Fakultas Pertanian Universitas Lampung

Soal 15.

Hitung jumlah air yang harus dipasok ke heat exchanger

untuk mendingin 100 kg/jam pasta tomat dari 90o_{C sampai}

20o_{C. Pasta tomat mengandung padatan 40%. Peningkatan}

suhu air harus tidak melebihi 10o_{C saat melewati heat}

exchanger. Tidak terjadi pencampuran air dan pasta tomat dalam heat exchanger.

Soal 16.

Hitung berat dan volume steam bersuhu 120o_{C yang}

ditambahkan secara langsung (direct injection) kedalam 100 kg saus tomat yang mengandung padatan 40% sehingga

(5)

Soal 17.

Susu cair dipanaskan dari 60o_{C ke 115}o_{C pada laju 500 kg/}

jam dengan menggunakan uap sebagai media pemanas. Heat exchanger yang digunakan memiliki efisiensi 85%, dan steam

quality adalah 90%. Suhu awal steam adalah 120o_{C. Sistem}

ini dirancang untuk memungkinkan suhu condensate yang keluar sama dengan suhu produk. Jika panas jenis susu adalah 3.86kJ/(kg°C), tentukan berat dan volume steam yang diperlukan.

Soal 18.

Jus buah dengan kadar padatan 12% dipanaskan secara langsung (steam injection) dengan steam bertekanan 232 kPa.

Sebanyak 100 kg/min jus dipanaskan dari suhu 50o_{C menjadi}

120o_{C. Hitung berat dan kualitas steam (steam quality) yang}

ditambahkan supaya jus buah yang keluar dari alat berkadar padatan 10%.

17

Soal 19.

Pada proses pembuatan bahan pengisi (pie filler) untuk Apple Pie, jam buah apel dicampur dengan larutan gula dan selanjutnya panaskan dengan “direct steam injection” hingga

115o_{C. Komposisi “pie filler” yang keluar dari pemanasan}

mengandung padatan 25% dan gula 15%. Jam buah apel

mengandung 40% padatan, bersuhu 40o_{C sebanyak 60kg/}

menit, sedangkan larutan gula yang digunakan mengandung

60% padatan gula dan bersuhu 50o_{C. 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.