Dimana : = Perbedaan tekanan pada 2 titik pengukuran yang berbeda (Pa) λ = Pipe Friction Coefficient
= Panjang pipa pengukuran tekanan (m) D = Diameter pipa (m)
= Densitas Fluida (kg/m3) V = Kecepatan aliran fluida ( m/s)
2.7
Dasar-dasar simulasi
Simulasi adalah usaha menginterpretasikan model-model matematika dari suatu proses atau fenomena fisik dengan menggunakan komputer dalam rangka memberikan gambaran situasi nyata dengan sebagian besar rinciannya (Syamsa, 2003). Dengan simulasi atau bekerja dengan model diharapkan:
1. Dapat meramalkan hasil atau keluaran
2. Lebih memahami model fisik dan matematik dari fenomena dan proses 3. Bereksperimen dengan model
4. Melakukan pengujian dengan model
5. Menggunakan model untuk tujuan penelitian dan pelatihan
Menurut syamsa (2003), simulasi proses dapat dikategorikan menjadi dua kategori berdasarkan kondisinya yaitu simulasi pada keadaan tunak dan simulasi dalam keadaan dinamis.
Simulasi keadaan tunak biasanya terdiri dari sejumlah persamaan aljabar yang diselesaikan secara iterasi, misalnya untuk menghitung kalkulasi panas dan keseimbangan dari suatu proses dibawah kondisi keadaan tunak yang berubah-ubah. Program simulasi keadaan tunak umum digunakan dalam proses industri sedangkan pada simulasi keadaan dinamis kondisi transien dari perubahan proses juga diperhitungkan. Simulasi ini dilakukan dengan menyelesaikan persamaan-persamaan diferensial non- linier berjumlah besar dalam waktu nyata dengan tujuan untuk menggambarkan keseimbangan dinamik bahan dan energi dari proses yang disimulasikan. Laju akumulasi masa dan energi dihitung secara kontinyu dan diintegrasikan sepanjang interval waktu yang relatif kecil, yaitu untuk menghasilkan proses tiruan dari tangga dinamik yang realistik seperti suhu, tekanan dan komposisi bahan.
2.8
Computational Fluid Dynamics ( CFD)
Computational merupakan segala sesuatu yang berhubungan dengan matematika dan metode numeric atau komputasi sedangkan fluid Dynamics merupakan dinamika dari segala sesuatu yang mengalir. Secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (Tuakia, 2008).
CFD memprediksi aliran berdasarkan model matematika, metode numerik (teknik solusi dan diskritisasi), dan tools perangkat lunak (solvers, tools pre- dan postprocessing). Pada umumnya terdapat tiga tahapan proses simulasi CFD, yaitu: preprocessing, solving, dan postprocessing.
Preprocessing merupakan tahapan awal dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD. Menurut Versteeg dan Malalasekera (1995) terdapat langkah-langkah yang dilakukan dalam preprocessing, yaitu :
a.
Membentuk geometri (computational domain) dua dimensi atau tiga dimensi
b.
Membentuk geometri menjadi sejumlah bagian yang lebih kecil (grid). Grid merupakan bagian yang akan dicari solusinya karena tingkat keakuratan hasil CFD didasarkan pada jumlah grid yang dibentuk. Bila jumlah grid lebih banyak maka hasil komputasi lebih akurat tetapi proses komputasi menjadi lebih lama sehingga dibutuhkan perangkat computer yang lebih baik. Sebaliknya, bila jumlah grid lebih sedikit maka hasil komputasi kurang akurat tetapi proses komputasi berjalan dengan cepat
c.
Mendefinisikan fenomena –fenomena yang terjadi (fisik dan kimia) karena dibutuhkan dalam pemodelan
d.
Mendefinisikan karakteristik fluida
e.
Mendefinisikan kondisi batas (boundary condition) pada model geometri
Solving merupakan tahapan seluruh kondisi preprocessing terpenuhi karena akan dilakukan perhitungan kondisi-kondisi yang diterapkan pada saat preprocessing. Menurut Versteeg dan Malalasekera (1995) terdapat tiga teknik solusi teknik numeric dalam mencari solusi CFD, antara lain difference, finite element, dan spectral method. Perbedaan yang mendasari teknik solusi di atas adalah pada proses memperkirakan diskritasi aliran tersebut. Pencarian solusi yang sering digunakan saat ini adalah finite volume yang merupakan perkembangan dari finite difference. Finite volume didasarkan pada algoritma numeric dimana dilakukan pembangunan persamaan berdasarkan integrasi variabel- variabel secara keseluruhan. Tahapan-tahapan yang dilakukan dalam mencari solusi pada CFD meliputi :
a.
Memperkirakan variabel aliran yang tidak diketahui menngunakan fungsi sederhana b.
Diskritasi hasil prakiraan tersebut dengan mensubstitusi ke dalam persamaan aliran
fluida tersebut dan memanipulasinya secara matematis c.
Membuat solusi dengan persamaan aljabar
Postprocessing merupakan tahapan terakhir dalam analisis CFD untuk mengorganisasi dan menginterpretasi data hasil analisis fluida. Hasil analisis didasarkan pada visualisai warna yang meliputi :
a.
Hasil dari geometri dan grid yang telah dibentuk b.
Plot berdasarkan vektor
c.
Plot berdasarkan kontur
d.
Plot berdasarkan permukaan (dua dimensi atau tiga dimensi)
Visualisasi solusi ini bertujuan untuk mempermudah pemahaman solusi yang dihasilkan dari CFD. Dalam proses ini dilengkapi dengan melakukan animasi dari solusi yang didapat.
2.9
Validasi
Tujuan dilakukan validasi adalah untuk membandingkan antara hasil simulasi terhadap hasil pengukuran dan perhitungan menggunakan Computational Fluid Dynamic (CFD). Untuk menguji keakuratan hasil pengukuran dan hasil simulasi dapat dilakukan perhitungan nilai error. Besarnya error dalam validasi dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut:
………….………(16)
Dimana : p = Suhu udara hasil simulasi (oC)
u = Suhu udara hasil pengukuran (oC)
11
Analisis regresi juga perlu digunakan untuk memprediksi seberapa jauh perubahan nilai antara suhu pada saat simulasi dan suhu pada saat pengukuran sehingga kelayakan penggunakan simulasi CFD dapat diketahui. Sebelum analisis regresi digunakan maka diperlukan uji linearitas dan keberartian. Regresi didasarkan pada hubungan fungsional ataupun kausal satu variabel independen atau peubah bebas bersumbu X dengan satu variabel dependen atau peubah tak bebas bersumbu Y.
Persamaan umum regresi linier sederhana adalah :
y = a + bx ………..…. (17)
Dimana a menyatakan intersep atau perpotongan dengan sumbu tegak dan b adalah kemiringan atau gradiennya sedangkan y digunakan untuk membedakan antara nilai ramalan (simulasi) yang dihasilkan garis regresi dan nilai pengamatan y yang sesungguhnya untuk nilai x tertentu. Korelasi yaitu hubungan antara peubah X dan peubah Y ditunjukkan dengan nilai r. Korelasi antara kedua peubah semakin menurun secara numerik dengan semakin menjauhnya titik-titik dari suatu garis lurus (Walpole, 1993)
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1
Waktu dan Lokasi Penelitian
Penelitian ini dilakukan di dalam rumah tanaman di Laboratorium Lapangan Leuwikopo dan Laboratorium Lingkungan Biosistem, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Penelitian dilakukan dari bulan Maret 2012 hingga Juni 2012.
3.2
Alat dan Bahan
3.2.1 Rumah tanaman
Rumah tanaman berfungsi untuk melindungi tanaman dari hujan lebat, angin kencang, hama dan penyakit. Rumah tanaman yang digunakan berukuran 6 m x 12 m yang dibangun membujur ke arah utara – selatan dengan bahan atap yaitu plastik PVC transparan 0.02 mm dan dinding terbuat dari kasa kawat dengan lubang 1 mm2. Lantai rumah tanaman dilapisi semen dengan pondasi sedalam 50 cm.
3.2.2 Tangki larutan nutrisi
Tangki sebagai penyimpan larutan nutrisi yang telah dipekatkan untuk didistribusikan ke tanaman. Tangki larutan nutrisi diinsulasi dengan tujuan agar mengurangi adanya pengaruh sinar matahari.
Gambar 4. Tangki larutan nutrisi
3.2.3 Bak tanaman ( chamber )
Chamber merupakan lingkungan tertutup tempat tumbuhnya akar dan terjadi proses penyemprotan berukuran 1.5 m x 1 m x 1 m. Material chamber dari kayu meranti dengan densitas kayu 340 kg/m3. Bahan insulasi untuk chamber adalah styrofoam . Tujuan insulasi adalah untuk mengurangi adanya pengaruh sinar matahari sehingga iklim mikro yang sesuai dengan jenis tanaman dapat dioptimalkan dengan penggunaan chamber. Bagian atas chamber tertutup styrofoam dengan tebal 5 cm yang telah dilubangi sebagai penopang setiap akar tanaman. Posisi
13
pipa dengan panjang 1.5 m terletak melintang sejajar dengan panjang chamber pada ketinggian 0.7 m dari dasar chamber.
Gambar 5. Chamber Aeroponik
3.2.4 Pompa air
Pompa air berfungsi untuk mendorong larutan nutrisi dari tangki ke nozzle melalui pipa PE. Spesifikasi tekanan pompa maksimum 100 psi dengan debit yang dihasilkan pompa 0.4 – 3.6 m3/ hours.
Gambar 6. Pompa Air
3.2.5 Timer
Timer berfungsi untuk membantu mengukur durasi waktu penyiraman.
Gambar 7. Timer
3.2.6 Pipa PE dan Nozzle
Nozzle ditancapkan pada pipa PE dan berfungsi untuk penyemprotan larutan nutrisi.
Spesifikasi nozzle yang digunakan adalah jenis jet spray dengan diameter lubang outlet (atas) nozzle sebesar 0.2 cm, diameter lubang inlet (bawah) nozzle sebesar 0.5 cm dan tinggi nozzle sebesar 2 cm. Arah penyemprotan nozzle berdasarkan cara penempatan posisi nozzle tersebut di sepanjang pipa .
Gambar 8. Nozzle dan pipa PE
3.2.7 Unit pendingin (Chiller)
Unit pendingin berfungsi untuk mendinginkan larutan pada tanki larutan nutrisi sehingga suhu larutan nutrisi dapat dipertahankan.
Gambar 9. Chiller
3.2.8 Hybrid Recorder dan Termokopel
Hybrid Recorder digunakan untuk merekam suhu pada titik-titik pengukuran tertentu yang dihubungkan dengan termokopel.
Gambar 10. Hybrid Recorder
15
3.2.9 Software SolidWorks
Software SolidWorks digunakan untuk membangun desain geometri dan melakukan simulasi aliran fluida pada chamber
3.2.10 Personal Computer (PC)
PC digunakan untuk proses simulasi menggunakan CFD
3.2.11
Bahan Penelitian
Pupuk A dan B sebagai larutan nutrisi, air. Pupuk A meliputi Ca(No3)2.4H2O , Fe- EDTA ( CH2.N(CH2.COO)2FeNa dan Pupuk B meliputi KH2PO4 , KNO3 , MgSO4.7H20 , MnSO4.H2O, H3BO3 , CuSO4.5H2O , (NH4)6Mo7O24.4H2O , dan ZnSO4.7H2O.
3.3 Tahapan Penelitian
Tahapan penelitian meliputi persiapan yang terdiri dari pembuatan chamber dan instalasi aeroponik di Laboratorium Leuwikopo. Kemudian, dilakukan setting alat dan instalasi hingga siap digunakan untuk pengambilan data. Tahap penelitian selanjutnya adalah pembuatan larutan nutrisi, pengambilan data parameter lingkungan meliputi suhu lingkungan di dalam chamber sesuai dengan titik-titik pengukuran dan distribusi suhu aliran nutrisi sepanjang pipa. Pengambilan data dilakukan pada saat penyemprotan dan pada saat keadaan pompa mati.
Tahapan selanjutnya adalah pengukuran
nilai keseragaman penyemprotan yang meliputi suhu, kecepatan aliran penyemprotan dan
tekanan, simulasi dengan menggunakan CFD dan tahap validasi untuk membandingkan
antara hasil simulasi terhadap hasil pengukuran. Tahapan penentuan nilai validasi
antara hasil simulasi terhadap hasil pengukuran dapat dijelaskan dalam Gambar 11.
Validasi merupakan tahapan penting dalam penelitian karena nilai validasi akan mempengaruhi kelayakan data pengukuran sebagai input simulasi CFD untuk menentukan jarak antar nozzle yang optimum sebagaimana dijelaskan dalam Gambar 12.
17
Input hasil validasi
Simulasi jarak antar nozzle 30 cm Simulasi jarak antar nozzle 40 cm Simulasi jarak antar nozzle 50 cm
Empat buah nozzle jet spray Tiga buah nozzle jet spray
Dua buah nozzle jet spray
Pemilihan Jarak antar nozzle optimum
Gambar 12. Diagram skematik penentuan pemilihan jarak antar nozzle optimum
3.3.1 Persiapan penelitian
Kegiatan persiapan dilakukan agar proses penelitian berjalan lancar. Kegiatan awal meliputi persiapan alat, bahan dan lahan, sterilisasi chamber, sterilisasi pipa PE, pengecekan nozzle, persiapan pupuk A dan B. Sebelum dilakukan tahapan penelitian, dilakukan perhitungan jarak antar nozzle yang akan digunakan sebagai kontrol simulasi. Jarak tersebut adalah 40 cm dengan ukuran chamber 1.5 m x 1 m x 0.3 m sehingga terdapat tiga nozzle yang akan digunakan sebagai kontrol simulasi.
Pengukuran suhu larutan nutrisi sepanjang pipa PE dan suhu pada titik pengukuran dilakukan dengan menggunakan termokopel yang dihubungkan dengan Hybrid recorder.
Skema titik pengukuran di dalam chamber dengan keterangan gambar terlampir (lampiran 1) diperlihatkan pada Gambar 13.
15 cm 15 cm cm
40 cm 40 cm 40 cm 30 cm
Gambar 13. Skema posisi pengukuran di dalam chamber
Tahap penelitian selanjutnya adalah pengukuran nilai keseragaman penyemprotan meliputi pengukuran spesifikasi nozzle dan pipa PE, pengukuran tekanan inlet di pompa dan outlet di setiap nozzle, pengukuran debit penyemprotan larutan nutrisi di setiap nozzle,
kemudian dilakukan perhitungan konduktivitas panas yang terjadi di dalam chamber serta pipa PE.
3.3.2 Pengukuran nilai keseragaman penyemprotan
1. Pengukuran spesifikasi nozzle dan Pipa PE
Nozzle dan pipa PE adalah komponen dari rangkaian instalasi aeroponik. Kedua komponen ini merupakan komponen utama sebagai penentu keseragaman penyemprotan larutan nutrisi. Metode awal yang dilakukan untuk mengukur nilai keseragaman penyemprotan adalah pengukuran spesifikasi nozzle dan pipa PE dengan menggunakan penggaris. Pengukuran spesifikasi untuk pipa meliputi diameter luar pipa, diameter dalam pipa, panjang pipa serta dilakukan perhitungan luas penampang pipa tersebut. Pengukuran spesifikasi untuk nozzle meliputi diameter lubang atas nozzle, diameter lubang bawah nozzle, panjang nozzle serta perhitungan luas penampang lubang outlet nozzle tersebut.
2. Pengukuran tekanan
Salah satu faktor utama dalam perancangan instalasi aeroponik adalah tekanan yang dihasilkan oleh pompa. Pompa yang digunakan selama penelitian adalah pompa bertekanan maksimal 100 psi atau setara dengan 6.8 atm. Pengukuran tekanan dilakukan dengan menggunakan pressure gauge yang tertera pada pompa untuk mengalirkan larutan nutrisi dari tangki menuju pipa PE. Setelah dilakukan pengamatan nilai tekanan yang digunakan pada pompa maka untuk mengetahui nilai tekanan setiap nozzle pada pipa PE tersebut dilakukan perhitungan menggunakan persamaan penurunan tekanan.
3. Pengukuran debit dan kecepatan aliran
Pengukuran debit dilakukan untuk mengetahui keseragaman kecepatan aliran penyemprotan pada setiap nozzle. Pengukuran debit dilakukan secara langsung dengan langkah awal melakukan pengukuran volume penyemprotan yang dihasilkan pada setiap nozzle dengan menggunakan gelas ukur dan stopwatch. Dari pengukuran volume dan waktu tersebut diketahui nilai debit dengan persamaan
……….. (2)
Q = Debit ( m3/ s)
v = Volume air yang dimasukkan ke dalam gelas ukur selama t detik (m3) t = Waktu yang dibutuhkan untuk memasukkan air (menit)
Perhitungan kecepatan aliran pada setiap nozzle dengan menggunakan persamaan 3.
Q=vxA ………. ( 3 )
Dimana Q = Debit aliran (m3/s)
v = Kecepatan aliran ( m/s)A = Luas penampang atas nozzle ( m) A = Luas penampang nozzle ( m2)
19
4. Pengukuran suhu
Pengukuran suhu dilakukan pada chamber aeroponik sesuai dengan titik pengukuran.
Pengukuran tersebut bertujuan untuk mengetahui sebaran suhu yang terjadi di dalam chamber pada saat penyemprotan sehingga diketahui kelayakan chamber tersebut untuk digunakan sebagai ruang tanam. Pengukuran suhu dilakukan hanya 30 cm di atas pipa PE atau hanya bagian atas chamber.
Perubahan suhu larutan nutrisi sepanjang pipa PE sangat dipengaruhi oleh kondisi lingkungan. Lingkungan yang dimaksud adalah suhu pipa dan suhu udara di dalam chamber. Larutan nutrisi yang dialirkan dalam pipa akan menyerap panas dari pipa yang disebabkan adanya perbedaan suhu antara larutan nutrisi dengan dinding pipa.
Pengukuran suhu dilakukan pada 18 titik yang terdistribusi di dalam chamber dan sepanjang pipa PE. Sistem Aeroponik memilliki siklus pada saat penyemprotan berlangsung dan pada saat tidak terjadi penyemprotan. Pengukuran dan simulasi suhu hanya dilakukan pada saat penyemprotan berlangsung karena skala waktu pada saat tidak terjadi penyemprotan sangat pendek yaitu berkisar antara 2 hingga 5 menit sehingga diasumsikan suhu tidak mengalami perubahan yang fluktuatif.
Pengukuran dilakukan selama empat hari yaitu pada 29 Maret 2012, 30 Maret 2012, 12 April 2012 dan 13 April 2012 pukul 06.00 – 18.00 WIB dengan tujuan untuk mencari suhu yang seragam pada setiap titiknya. Pada saat pengukuran selama empat hari tersebut tidak ada pengubahan perlakuan suhu, hanya terjadi perubahan kondisi cuaca dari keempat hari tersebut yaitu kondisi cerah, berawan, mendung dan hujan.
3.3.3 Pengamatan dan perhitungan konduktivitas panas
Proses perpindahan panas yang terjadi adalah konduksi dan konveksi paksa.
Peristiwa konduksi terjadi karena pertukaran energi antar medium-medium berlainan yang bersinggungan secara langsung dan berbeda suhu, yaitu antara dinding chamber atas dengan pipa dan peristiwa konveksi paksa terjadi antara pipa dengan air yang disebabkan oleh gerakan mencampur antara zat padat dan zat cair oleh pompa. Untuk mengetahui nilai pindah panas dari sistem tersebut dapat dihitung dengan mencari nilai bilangan nusselt dengan persamaan aliran laminar pipa pendek sebagai berikut :
Nu = 0.023Re0.8Pr0.4………... (8)
Kemudian dari persamaan tersebut dilakukan perhitungan terhadap nilai konveksi dengan persamaan sebagai berikut :
Q” = h (Tp - Tb)……….. (5)
3.3.4
Simulasi dengan CFD
Simulasi digunakan untuk menduga sebaran suhu di dalam chamber dan keseragaman larutan nutrisi pada saat penyemprotan berlangsung. Dari hasil simulasi tersebut akan diketahui keefektifan jarak antar nozzle dan pipa untuk memperoleh
keseragaman penyemprotan larutan nutrisi sehingga pemilihan jarak antar nozzle yang tepat dapat dilakukan.
Metode awal yang digunakan dalam simulasi CFD menggunakan Solidwork adalah pembuatan model 3D yang akan digunakan yaitu chamber dengan tinggi 30 cm, pipa dan nozzle yang sesuai dengan spesifikasi dan material properties keadaan sebenarnya.
Penentuan Boundary Condition yaitu dari ujung hulu pipa PE (inlet) ke ujung hilir PE (outlet), sebaran penyemprotan larutan nutrisi dari nozzle, dan ruas dinding yang berdekatan dengan sebaran penyemprotan larutan nutrisi tersebut yaitu 30 cm di atas pipa PE. Input yang digunakan adalah parameter yang telah dihitung yaitu debit, tekanan, suhu inlet yaitu suhu awal larutan nutrisi melalui pipa PE dan suhu outlet yaitu suhu ujung nozzle dimana larutan nutrisi mulai disemprotkan. Sedangkan output yang diharapkan dari simulasi adalah sebaran panjang penyemprotan (turbulence length), nilai tekanan, nilai kecepatan aliran dan suhu di dalam chamber. Tahap selanjutnya adalah validasi hasil simulasi terhadap hasil pengukuran dari perhitungan dari persamaan-persamaan yang telah dijelaskan. Tahap dari proses simulasi CFD dapat dilihat pada skema di Gambar 14.
Mulai
Pembentukan geometri
dan meshing
Pendefinisian material
Pengecekan geometri
Pengecekan
Geometri baik