a. Persiapan Penelitian
Persiapan penelitian meliputi kegiatan pembersihan rumah tanaman, pembuatan instalasi aeroponik, persiapan peralatan pengukuran, dan penyediaan bahan yang digunakan.
Sebelum dilakukan pengukuran, dilaksanakan pengkondisian sistem agar berada pada kondisi yang sebenarnya.
b. Perlakuan Penelitian
Chamber aeroponik diletakkan di dalam rumah tanaman, kemudian dipasang satu unit irigasi untuk pemberian nutrisi bagi tanaman. Media tanam yang digunakan adalah styrofoam dan rockwool untuk menyangga tanaman yang diletakkan di atas chamber. Lingkungan luar rumah tanaman dipasang weather station untuk mengetahui parameter lingkungan yang akan mempengaruhi kondisi rumah tanaman. Lingkungan di dalam rumah tanaman dan instalasi aeroponik dipasang termokopel dan peralatan lainnya untuk mengetahui parameter lingkungan makro dan mikro yang akan berpengaruh pada tanaman yang akan ditanam.
c. Pengamatan dan Pengukuran
Pengamatan dilakukan setiap hari selama proses pengambilan data berlangsung selama enam hari pada pagi sampai sore hari. Parameter yang diukur meliputi suhu dan kelembaban di chamber aeroponik, suhu di pipa lateral, tekanan nutrisi yang keluar dari nozzle, kecepatan aliran nutrisi di pipa lateral, suhu di tangki larutan nutrisi, serta suhu, kecepatan angin, dan radiasi matahari di lingkungan rumah tanaman.
Untuk mengukur kelembaban, dipasang termokopel basah di dalam chamber, sedangkan untuk pengukuran suhu, dipasang termokopel pada chamber seperti pada Lampiran 1, serta untuk pengukuran parameter lingkungan di dalam rumah tanaman dipasang weather station dan peralatan lainnya.
d. Pengembangan Model Pindah Panas
Asumsi yang digunakan pada penelitian ini adalah proses pindah panas yang terjadi adalah konveksi dan konduksi, sistem dalam keadaan steady, keberadaan tanaman tidak berpengaruh pada proses pindah panas, suhu larutan nutrisi yang tersemprot keluar dari nozzle sama dengan suhu larutan nutrisi di dalam bak penampung, suhu udara di dalam rumah
13 tanaman dianggap seragam di semua titik, dan kecepatan angin di dalam rumah tanaman seragam.
Untuk mengetahui sebaran suhu yang terjadi di dalam chamber, dapat dievaluasi menggunakan persamaan-persamaan pindah panas yang sesuai dengan kondisi sebenarnya.
Persamaan sederhana yang mengacu pada hukum pertama termodinamika pada sistem chamber aeroponik dapat dituliskan sebagai berikut:
(4)
a) Kesetimbangan panas pada pipa lateral dalam chamber
(5) b) Kesetimbangan panas pada chamber aeroponik
(6) c) Kesetimbangan total
(7) (8)
Keterangan:
: Pindah panas yang masuk ke sistem (W) : Pindah panas yang keluar dari sistem (W) : Pindah panas yang tersimpan di sistem (W) m : Massa air (kg)
Cp : Panas jenis air (kJ/kg.oC) : Perubahan suhu di sistem (oC)
: Pindah panas di pipa lateral dalam chamber (W) : Pindah panas yang melalui styrofoam (W) : Pindah panas yang melalui multiplek (W)
U : Koefisien perpindahan kalor menyeluruh/overall (W/m2.oC) A : Luas permukaan sistem (m2)
: Pindah panas dari udara luar ke udara dalam melalui sisi atas chamber (W) : Pindah panas dari udara luar ke udara dalam melalui sisi bawah chamber (W) : Pindah panas dari udara luar ke udara dalam melalui sisi kanan chamber (W) : Pindah panas udara luar ke udara dalam melalui sisi kiri chamber (W)
: Pindah panas dari udara luar ke udara dalam melalui sisi depan chamber (W) : Pindah panas dari udara luar ke udara dalam melalui sisi belakang chamber
(W)
Pindah panas pada chamber aeroponik terjadi secara konveksi dan konduksi yang melalui dua lapisan, yaitu multiplek dan styrofoam. Untuk mendapatkan nilai pindah panas setiap sisi chamber digunakan persamaan konveksi udara rumah tanaman yang melalui multiplek kemudian konveksi udara dalam chamber, serta konduksi antara multiplek dan styrofoam. Sifat-sifat udara dan air yang diperlukan untuk melengkapi nilai persamaan diatas dapat dilihat pada Lampiran 2.
14 Keterangan:
: Bahan multiplek : Bahan styrofoam Koefisien konveksi antara chamber dan udara diperoleh dengan persamaan:
(9)
Bilangan Nusselt (Nu) dapat diperoleh dengan mengacu pada bentuk dinding (vertikal atau horizontal) dan nilai GrPr (bilangan Grashof-Prandtl) dari setiap sisi chamber. Secara umum, persamaan tersebut dapat ditulis sebagai berikut:
(10) dengan nilai GrPr menggunakan persamaan sebagai berikut:
(11)
Proses pindah panas pada chamber aeroponik terjadi secara vertikal (pada sisi atas dan bawah) dan secara horizontal (pada sisi kanan, kiri, depan, dan belakang) yang dapat dilihat pada Gambar 7. Persamaan dari setiap sisi chamber dapat dituliskan sebagai berikut:
a) Laju pindah panas secara vertikal
Sisi atas chamber: (12)
Sisi bawah chamber: (13)
b) Laju pindah panas secara horizontal
Sisi kanan, kiri, depan, dan belakang chamber aeroponik mempunyai lapisan dinding yang sama, yaitu multiplek dan styrofoam sehingga persamaan laju pindah panas secara horizontal sama dengan persamaan (13).
Gambar 7. Skema proses perpindahan panas pada chamber aeroponik
15 Pindah panas pada pipa lateral di dalam chamber aeroponik terjadi secara konveksi.
Persamaan konveksi paksa digunakan untuk mengetahui aliran konveksi air di dalam pipa, serta konveksi alami digunakan untuk mendapatkan koefisien konveksi udara yang melalui dinding pipa lateral. Nilai bilangan Reynold diperoleh dengan menggunakan sifat-sifat air sehingga persamaan selanjutnya dapat ditentukan dengan mengacu nilai Re dari aliran pipa.
Besarnya bilangan Nusselt untuk konveksi paksa di dalam pipa dapat diketahui dari persamaan-persamaan pada Tabel 2 sebagai berikut:
Tabel 2. Ikhtisar persamaan-persamaan yang berguna bagi perpindahan panas konveksi paksa di dalam pipa dan saluran
Sistem Persamaan
Pipa panjang , fluida, aliran laminar
Pipa pendek, fluida, aliran laminar
Pipa panjang, fluida, aliran turbulen Pipa pendek, fluida, aliran turbulen
Sumber : Kreith (1986)
Besarnya koefisien konveksi antara air dan dinding pipa lateral dapat diperoleh dari persamaan sebagai berikut:
(14) Koefisien konveksi udara yang melalui pipa dapat diperoleh menggunakan persamaan (10) sampai persamaan (14), sehingga diperoleh koefisien perpindahan panas menyeluruh/overall dari pipa menggunakan persamaan:
: Koefisien konveksi udara luar chamber (W/m2.oC) : Tebal styrofoam (m)
: Konduktifitas termal styrofoam (W/m.oC)
: Koefisien konveksi udara dalam chamber (W/m2.oC)
16 : Tebal multiplek (m)
: Konduktivitas termal multiplek (W/m.oC) Re : Bilangan Reynold : Jari-jari pipa bagian luar (m) : Jari-jari pipa bagian dalam (m)
Berdasarkan kesetimbangan panas yang sudah diuraikan diatas, akan dapat diketahui nilai penyerapan kalor oleh larutan nutrisi pada pipa lateral dan chamber aeroponik.
e. Simulasi Sebaran Suhu dengan CFD
Simulasi sebaran suhu udara chamber aeroponik dengan CFD dilakukan setelah semua data hasil pengukuran di lapangan dihitung. Setelah semua data telah selesai dihitung, model untuk simulasi dibuat berdasarkan data yang diperoleh dari lapangan. Data yang digunakan adalah pada tanggal 1 Mei 2012 karena merupakan hari cerah dan tidak ada hujan saat pengambilan data. Pembuatan geometri chamber dan simulasi distribusi suhu chamber dilakukan menggunakan software SolidWorks 2011. Asumsi yang digunakan saat simulasi adalah sebagai berikut:
a) Sistem chamber dalam keadaan tertutup b) Udara bergerak dalam keadaan steady
c) Suhu udara di dalam lingkungan rumah tanaman dianggap seragam saat simulasi d) Suhu udara di luar chamber sama dengan suhu udara di dalam rumah tanaman e) Lapisan plastik hitam tidak didefinisikan sebagai bahan pelapis chamber
Simulasi pada sebaran suhu di chamber aeroponik dilakukan pada dua kondisi waktu dan empat dimensi chamber yang berbeda, yaitu:
a) Kondisi cuaca cerah di sekitar rumah tanaman pada pukul 08:00 dan pukul 13:00 dengan ukuran panjang chamber 1.5 meter, lebar 1 meter, tinggi 1 meter.
b) Kondisi cuaca cerah di sekitar rumah tanaman pada pukul 08:00 dan pukul 13:00 dengan ukuran panjang chamber 5 meter, lebar 1 meter, dan tinggi 1 meter.
c) Kondisi cuaca cerah di sekitar rumah tanaman pada pukul 08:00 dan pukul 13:00 dengan ukuran panjang chamber 8 meter, lebar 1 meter, dan tinggi 1 meter.
d) Kondisi cuaca cerah di sekitar rumah tanaman pada pukul 08:00 dan pukul 13:00 dengan ukuran panjang chamber 12 meter, lebar 1 meter, dan tinggi 1 meter.
Langkah-langkah proses simulasi sebaran suhu di chamber aeroponik menggunakan program CFD SolidWorks, yaitu pada Gambar 8, sebagai berikut:
17 Gambar 8. Skema tahapan simulasi menggunakan CFD
1) Pembuatan geometri
Ukuran model chamber yang dibuat adalah panjang 1.5 meter, lebar 1 meter, dan tinggi 1 meter. Ukuran di atas merupakan ukuran sebenarnya chamber aeroponik saat pengukuran dan pengambilan data. Berikut ditampilkan geometri chamber tersebut pada Gambar 9.
Gambar 9. Geometri chamber aeroponik
18 2) Pendefinisian material chamber
Material yang digunakan didefinisikan sebagai multiplek sebagai lapisan terluar chamber, styrofoam sebagai lapisan kedua, dan Polyethylene low density sebagai bahan pipa lateral. Sifat fisik bahan-bahan tersebut, tertera pada Tabel 3, diperlukan dalam simulasi sehingga dimasukkan ke dalam engineering database.
Tabel 3. Sifat fisik material chamber aeroponik
Sifat Fisik Bahan Satuan Multiplek1 Styrofoam1 PE Low Density2
Kerapatan kg/m3 513 70 917
Panas Jenis J/kg.C 1380 1045 1842
Konduktivitas Panas W/m.C 0.115 0.026 0.322
Tipe Konduktivitas - Isotropik Isotropik Isotropik
Melting Temperature C 573 348 573
Sumber: 1 Cengel (2001)
2 Engineering Database SolidWorks (2011)
3) Melakukan General Setting
Pada bagian ini diatur konfigurasi model dengan parameter lingkungan yang sesuai dengan data penelitian maupun asumsi-asumsi yang telah dibuat. Tampilan pada Gambar 10 merupakan awal dari proses pengaturan simulasi. Pada unit system, dapat dilihat pada Gambar 11, diatur satuan-satuan yang akan ditampilkan pada output simulasi.
Gambar 10. Tampilan Project Configuration pada SolidWorks
19 Gambar 11. Tampilan Unit System pada SolidWorks
Analisis aliran pada model dipilih internal karena akan melihat bagaimana sebaran suhu di dalam geometri, dalam hal ini adalah chamber aeroponik. Berdasarkan proses pindah panas yang terjadi antara lingkungan rumah tanaman dengan chamber, proses pindah panas secara konduksi pada material solid dapat diperhitungkan. Radiasi lingkungan seperti suhu udara di dalam rumah tanaman, radiasi matahari yang masuk dalam rumah tanaman, dan arah datang radiasi matahari dapat dimasukkan dalam tampilan ini pada Gambar 12.
Gambar 12. Tampilan Analysis Type SolidWorks
Fluida yang dianalisis adalah udara dan air yang terkompresi, sehingga diatur pada tampilan Default Fluid, seperti terlihat pada Gambar 13. Material padat yang dianalisis pun dapat ditentukan pada tampilan Default Solid pada Gambar 14 berdasarkan database engineering yang sudah dimasukkan sebelumnya. Kondisi termal dinding chamber dan kekasarannya dapat diatur pada tampilan Wall Condition pada Gambar 15.
20 Gambar 13. Tampilan Default Fluid SolidWorks
Gambar 14. Tampilan Default Solid SolidWorks
Gambar 15. Tampilan Wall Conditions SolidWorks
21 Sebagai kondisi awal dan kondisi batas, dimasukkan suhu udara dan tekanan udara pada setiap kondisi di tampilan Initial Conditions Gambar 16. Pada tampilan ini, dimasukkan pula nilai suhu dari parameter solid dan kelembabannya. Setelah itu, hasil dan resolusi geometri model akan ditampilkan pada Gambar 17. Langkah selanjutnya adalah mengoptimasi mesh yang dapat diatur jumlah sel per komponen koordinat model. Refining cells juga dapat dilakukan pada tampilan Initial Mesh pada Gambar 18.
Gambar 16. Tampilan Initial Conditions SolidWorks
Gambar 17. Tampilan Result and Geometry Resolution SolidWorks
22 Gambar 18. Tampilan Initial Mesh SolidWorks
4) Menentukan Computational Domain dan Fluid Subdomain
Domain dibuat untuk daerah batasan luar dari model yang akan dianalisis. Fluid subdomain dipilih karena model simulasi ini mempunyai dua fluida yang berbeda.
Udara berada di luar dan dalam chamber, sedangkan air terkompresi berada di dalam pipa lateral. Pada tampilan Fluid subdomain, dapat dimasukkan parameter termal dari fluida yang mengalir. Tampilan keduanya dapat dilihat pada Gambar 19 dan Gambar 20.
Gambar 19. Tampilan Computational Domain SolidWorks
23 Gambar 20. Tampilan Fluid Subdomain SolidWorks
5) Menentukan kondisi batas
Boundary conditions dari chamber adalah lubang pengeluaran yang berada di bawah chamber. Lubang ini diberikan batasan sebagai Real Wall agar chamber tetap berada pada kondisi tertutup rapat.
6) Menentukan Goals
Pada langkah ini, hasil akhir yang dipilih adalah global goal: maximum temperature of fluid, average temperature of fluid, dan minimum temperature of fluid.
7) Menjalankan Run
Running dapat berjalan ketika langkah-langkah diatas sudah terpenuhi. Tampilan Run dapat dilihat pada Gambar 21. Sebelum melakukan running, dapat dilakukan pula Calculation Control Option (Gambar 22) untuk menentukan kondisi konvergensi hasil yang didapat dari simulasi.
Gambar 21. Tampilan Run SolidWorks
24 Gambar 22. Tampilan Calculation Control Option SolidWorks
8) Post processor
Tahap ini merupakan tampilan yang akan disajikan program CFD setelah proses running selesai. Tampilan ini dapat berupa gambar kontur, vektor, arah aliran, animasi, hasil angka dari perhitungan program, mesh, dan lain-lain. Tampilan tersebut merupakan hasil akhir (goals) dari yang sudah ditentukan sebelumnya.
f. Validasi Hasil Simulasi
Validasi model dilakukan dengan membandingkan hasil pengukuran di lapangan dengan hasil simulasi CFD SolidWorks. Keakuratan hasil pengukuran dan hasil simulasi dinyatakan dengan persentasi error. Persamaan error yang digunakan adalah sebagai berikut:
(16)
Pengujian keakuratan hasil simulasi terhadap hasil pengukuran dapat pula dinyatakan menggunakan garis regresi yang terbentuk pada hubungan linear antara suhu hasil pengukuran (x) dengan suhu hasil simulasi (y). Persamaan yang akan terjadi secara umum adalah sebagai berikut:
(17)
dimana (a) merupakan intersep atau perpotongan garis regresi dengan sumbu tegak dan (b) menyatakan kemiringan atau gradien garis regresi. Prediksi dari hasil simulasi dikatakan baik jika persamaan regresi memiliki intersep mendekati nol dan gradiennya mendekati satu.
25