ANALISIS PINDAH PANAS PADA PIPA UTAMA SISTEM
HIDROPONIK SUBSTRAT DENGAN PENDINGINAN
LARUTAN NUTRISI
NURUL CHOERUNNISA
TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Analisis Pindah Panas pada Pipa Utama Sistem Hidroponik Substrat dengan Pendinginan Larutan Nutrisi adalah benar karya saya dengan arahan dari pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
ABSTRAK
NURUL CHOERUNNISA. Analisis Pindah Panas pada Pipa Utama Sistem Hidroponik Substrat dengan Pendinginan Larutan Nutrisi. Dibimbing oleh HERRY SUHARDIYANTO.
Larutan nutrisi yang didinginkan akan mengalami kenaikan suhu selama didistribusikan menuju zona perakaran tanaman. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk melakukan analisis pindah panas pada pipa utama sistem hidroponik substrat, melakukan validasi terhadap model pindah panas tersebut, dan melakukan simulasi perencanaan suhu input larutan nutrisi. Model pindah panas dikembangkan dari persamaan-persamaan pindah panas dan aliran fluida dalam pipa. Validasi model pindah panas dilakukan dengan metode analisis regresi linear. Simulasi dilakukan dengan menghitung suhu input larutan nutrisi yang diperlukan untuk mendapatkan suhu output larutan nutrisi yang optimum bagi tanaman dengan menggunakan model pindah panas yang telah divalidasi. Hasil validasi menunjukkan bahwa model pindah panas yang dikembangkan cukup akurat untuk memprediksi suhu larutan nutrisi di dalam pipa utama. Hasil simulasi menunjukkan bahwa untuk mendapatkan output larutan nutrisi dengan suhu 20 oC dengan pipa utama berbahan PVC ¾ inch tanpa insulasi dengan panjang 20 m input larutan nutrisi harus didinginkan hingga suhu 18.06 oC.
Kata kunci: analisis pindah panas, pendinginan larutan nutrisi, pipa utama, sistem hidroponik substrat
ABSTRACT
NURUL CHOERUNNISA. Heat Transfer Analysis in The Main Pipe of Substrate Hydroponic System with Nutrient Solution Cooling. Supervised by HERRY SUHARDIYANTO.
Cooled nutrient solution will have temperature rises during distributed to the root zone of the plants. The aim of the research was to analyze the heat transfer from environment to the main pipe of irrigation for hydroponic substrate system, to validate the heat transfer model, and to simulate inlet temperature for nutrient solution cooling planning. Heat transfer model was developed from heat transfer and fluid flow in pipe equations. Validation of heat transfer model was done using linear regression analysis method. Simulation was done by calculating temperature of inlet nutrient solution which is proper to get optimum temperature for plants using validated heat transfer model. The result of heat transfer model validation showed that the heat transfer model is fairly accurate to predict the temperature of nutrient solution in the main pipe. The simulation result showed that to obtain 20 oC temperature of nutrient solution at the end of ¾ inch PVC uninsulated main pipe with a length of 20 m, the inlet nutrient solution must be cooled to temperature of 18.06 oC.
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Pertanian
pada
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem
ANALISIS PINDAH PANAS PADA PIPA UTAMA SISTEM
HIDROPONIK SUBSTRAT DENGAN PENDINGINAN
LARUTAN NUTRISI
NURUL CHOERUNNISA
TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR
Judul Skripsi : Analisis Pindah Panas pada Pipa Utama Sistem Hidroponik Substrat dengan Pendinginan Larutan Nutrisi
Nama : Nurul Choerunnisa NIM : F14090143
Disetujui oleh
Prof Dr Ir Herry Suhardiyanto, MSc Pembimbing I
Diketahui oleh
Dr Ir Desrial, MEng Ketua Departemen
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas segala karunia-Nya sehingga skripsi ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Maret 2013 ini ialah pendinginan larutan nutrisi, dengan judul Analisis Pindah Panas pada Pipa Utama Sistem Hidroponik Substrat dengan Pendinginan Larutan Nutrisi.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Prof Dr Ir Herry Suhardiyanto, MSc selaku pembimbing yang telah banyak memberi saran. Di samping itu, penghargaan penulis sampaikan kepada Bapak Ahmad dari Laboratorium Lingkungan dan Bangunan Pertanian, Bapak Darma dan Bapak Firman dari Laboratorium Lapangan Siswadhi Soepardjo, Achmad Mudzakir, Ina Rahmawati, Caesar Riyadh, Abdul Rouf, Toni Dwi Novianto, Endah Prahmawati, Warto, Rina Oktaviana, Riska Dwi Wahyuningtyas, Ni Wayan Desi P, Nurul Rizqiyyah, Ledyta Hindiani, Dani Kurniawan, Rusnadi, Yetti Ariani, Zaqlul Iqbal dan Teguh Kurniawan dari TEP 46 yang telah membantu selama pengumpulan data. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada Ayahanda Nono Sugiono, Ibunda Mujirah, Kakanda Erwin Mukti, Kakanda Reni Fauziah, Kakanda Ridla Maulid DSA, Khalifa Sakha Rabbani, Kenzie Alkautsar Ramadhan, Kaisar Akhtar Firdaus serta seluruh keluarga, atas semua bantuan, doa, dan kasih sayangnya.
Semoga skripsi ini bermanfaat.
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL vi
DAFTAR GAMBAR vi
DAFTAR LAMPIRAN vi
DAFTAR SIMBOL vii
PENDAHULUAN 1
Latar Belakang 1
Tujuan Penelitian 1
TINJAUAN PUSTAKA 2
Hidroponik Substrat sebagai Metode Budidaya Tanaman 2 Keunggulan Pendinginan Larutan Nutrisi untuk Sistem Hidroponik Substrat 2
Aliran Fluida dalam Pipa 3
Pindah Panas 3
METODE 4
Waktu dan Tempat 4
Bahan dan Alat 4
Prosedur Pengambilan dan Analisis Data 4
HASIL DAN PEMBAHASAN 8
Iklim pada Rumah Tanaman 8
Kenaikan Suhu Air dalam Pipa Utama 9
Laju Perpindahan Panas di Sepanjang Pipa 10
Validasi Model Simulasi Pindah Panas 12
Simulasi Perencanaan Suhu Input Larutan Nutrisi untuk Irigasi Tetes 16
SIMPULAN DAN SARAN 18
Simpulan 18
Saran 18
DAFTAR PUSTAKA 19
DAFTAR TABEL
1 Ikhtisar persamaan-persamaan yang digunakan dalam perpindahan
panas konveksi paksa di dalam salurana 7
2 Debit aliran sebelum dan sesudah memasuki pipa utama 11 3 Gradien, intersep, dan koefisien determinasi dari hasil analisis regresi
linier terhadap hasil simulasi 16
4 Input data untuk simulasi perencanaan suhu input larutan nutrisi 17
DAFTAR GAMBAR
1 Analisis pindah panas pada penelitian ini 5
2 Pola sebaran radiasi matahari yang mempengaruhi suhu di dalam dan di
luar rumah tanaman (19 Agustus 2013) 8
3 Pola sebaran kelembaban udara di dalam dan di luar rumah tanaman (19
Agustus 2013) 9
4 Kenaikan suhu air pada titik dengan jarak tertentu dari titik 0 m pipa
utama terhadap waktu (19 Agustus 2013) 9
5 Suhu rata-rata air, dinding luar pipa, dan bagian luar insulasi pada jarak tertentu dari titik 0 m pada pipa utama (19 Agustus 2013) 10 6 Laju perpindahan panas di sepanjang pipa (19 Agustus 2013) 11 7 Hubungan antara suhu output air hasil simulasi dengan hasil
pengukuran pada jarak 1 m 13
8 Hubungan antara suhu output air hasil simulasi dengan hasil
pengukuran pada jarak 2 m 13
9 Hubungan antara suhu output air hasil simulasi dengan hasil
pengukuran pada jarak 3 m 14
10 Hubungan antara suhu output air hasil simulasi dengan hasil
pengukuran pada jarak 4 m 14
11 Hubungan antara suhu output air hasil simulasi dengan hasil
pengukuran pada jarak 5 m 15
12 Hubungan antara suhu output air hasil simulasi dengan hasil
pengukuran keseluruhan 15
13 Simulasi suhu input larutan nutrisi yang dibutuhkan untuk mendapatkan suhu 20 oC pada pipa utama dengan panjang 1 - 20 m 17
DAFTAR LAMPIRAN
1 Skema titik pengukuran pada pipa utama 20
2 Sifat-sifat fisik air 21
3 Diagram alir analisis pindah panas 22
4 Program untuk memprediksi suhu larutan nutrisi 23
DAFTAR SIMBOL
̇ laju perpindahan panas secara konduksi (W) ̇ laju perpindahan panas secara konveksi (W) ̇ a laju perpindahan panas secara radiasi (W) ̇ laju perpindahan panas (W)
⁄ perubahan suhu diantara dua permukaan (K)
̇ laju aliran massa (kg s-1)
perbedaan suhu menyeluruh (K) µ viskositas dinamik (kg m-1 s-1)
A luas penampang benda yang tegak lurus terhadap aliran panas (m2) Cp kalor jenis (J kg-1oC-1)
D1/Di diameter pipa bagian dalam (m)
D2/Dout diameter pipa bagian luar (m)
D3 diameter pipa ditambah dengan insulasi (m)
Dh diameter hidrolik (m)
h koefisien pindah panas konveksi (W m-2 K-1) k konduktivitas termal (W m-1 K-1)
ka konduktivitas termal air (W m-1oC-1)
ki konduktivitas termal bahan insulasi (W m-1 K-1) kp konduktivitas termal pipa (W m-1 K-1)
L panjang pipa (m) Pr bilangan Prandtl
Qin jumlah panas yang masuk ke dalam sistem (Watt)
Qout jumlah panas yang keluar dari dalam sistem (Watt)
Qstored jumlah panas yang tersimpan dalam sistem (Watt) R thermal resistance atau tahanan termal (W-1) Re bilangan Reynolds
t tebal insulasi
T∞ suhu fluida pada jarak tertentu dari permukaan bidang (K) Td suhu dinding pipa utama atau insulasi bagian luar (oC)
Tf suhu fluida (K)
Tn suhu larutan nutrisi (oC)
To suhu larutan nutrisi yang keluar dari pipa utama hasil pengukuran (oC)
To’ suhu larutan nutrisi yang keluar dari pipa utama hasil simulasi (oC)
Ts suhu permukaan bidang (K)
U overall heat transfer coefficient (W m-2) V kecepatan aliran fluida (m s-1)
Vs volume spesifik (kg m-3) emisivitas permukaan bahan
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Kondisi lingkungan merupakan aspek yang sangat penting dalam budidaya tanaman. Lingkungan harus dijaga agar berada atau mendekati kondisi optimum bagi tanaman yang dibudidayakan. Penggunaan rumah tanaman dan hidroponik merupakan salah satu metode budidaya tanaman dalam lingkungan yang terkendali (Suhardiyanto 2009).
Teknologi rumah tanaman dan hidroponik dapat diterapkan untuk meningkatkan produksi buah-buahan, sayuran, dan bunga yang merupakan komoditas yang permintaannya masih belum dapat terpenuhi baik di pasar domestik maupun internasional. Teknologi ini memungkinkan produksi secara lebih terencana, baik dari segi kuantitas, kualitas, maupun waktu panen. Dengan menggunakan metode ini, budidaya tanaman dapat dilakukan sepanjang tahun pada lahan yang tidak subur sekalipun.
Indonesia termasuk ke dalam kawasan tropika basah yang menerima radiasi matahari sangat tinggi. Radiasi matahari yang tinggi akan menyebabkan suhu di dalam rumah tanaman juga menjadi tinggi. Tingginya suhu udara di dalam rumah tanaman dapat mencapai tingkat yang dapat memicu stress pada tanaman (Suhardiyanto 2009). Pengendalian suhu udara di dalam rumah tanaman secara mekanik akan membutuhkan energi yang sangat besar. Menurut Kozai et al. (1985) dalam Suhardiyanto (2009), beban pendinginan yang dibutuhkan untuk menurunkan suhu udara di dalam rumah tanaman secara keseluruhan sampai 6oC di bawah suhu udara luar dapat mencapai 0.3 MJ m-2.
Sejak tahun 1990-an, telah dikembangkan sistem pendinginan terbatas (zone cooling) dimana pendinginan tidak dilakukan terhadap udara di dalam rumah tanaman, melainkan terhadap daerah sekitar tanaman yang paling membutuhkan (Suhardiyanto 1994). Menurut Suhardiyanto (2009), dalam budidaya tanaman secara hidroponik pendinginan larutan nutrisi lebih tepat dibandingkan dengan pendinginan udara. Panas jenis air lebih tinggi daripada udara sehingga larutan yang didinginkan akan bertahan pada suhu rendah lebih lama dibandingkan dengan udara.
Selama dialirkan di dalam pipa, larutan nutrisi akan mengalami perpindahan panas. Analisis pindah panas terhadap larutan nutrisi yang mengalir di dalam pipa utama perlu dilakukan sebagai dasar perencanaan pendinginan terbatas daerah perakaran sehingga diperoleh suhu yang ideal bagi perakaran tanaman. Prinsip-prinsip pindah panas dan mekanika fluida digunakan untuk memprediksi suhu larutan nutrisi selama dialirkan di dalam pipa.
Tujuan Penelitian
2
TINJAUAN PUSTAKA
Hidroponik Substrat sebagai Metode Budidaya Tanaman
Sistem hidroponik substrat merupakan metode budidaya tanaman dimana akar tanaman tumbuh pada media porus selain tanah yang dialiri larutan nutrisi sehingga memungkinkan tanaman memperoleh air, nutrisi, dan oksigen secara cukup. Pemberian nutrisi pada sistem hidroponik substrat biasanya dilakukan dengan menggunakan irigasi tetes.
Kelebihan hidroponik jenis ini adalah dapat menyerap dan menghantarkan air, tidak mempengaruhi pH air, tidak berubah warna, dan tidak mudah lapuk (Ricardo 2009). Correa et al. (2009) melaporkan bahwa produksi benih kentang dengan metode hidroponik memberikan beberapa keuntungan, diantaranya: kemudahan panen; kemudahan kontrol mineral dan nutrisi tanaman; efisiensi penggunaan air dan lahan; peningkatan produksi umbi dan mengurangi biaya penggunaan pestisida.
Keunggulan Pendinginan Larutan Nutrisi untuk Sistem Hidroponik Substrat Zone cooling atau pendinginan terbatas telah dikembangkan sejak tahun 1990-an sebagai alternatif pengendalian suhu udara di dalam rumah tanaman ketika suhu dan kelembaban tinggi. Prinsip kerja zone cooling adalah dengan melakukan pendinginan secara efektif ke daerah yang paling membutuhkan, yaitu perakaran. Meskipun suhu udara di dalam rumah tanaman tinggi, tetapi apabila suhu di daerah perakaran dapat dipertahankan cukup rendah, maka pertumbuhan tanaman akan cukup baik. Dengan demikian, energi yang diperlukan lebih sedikit jika dibandingkan dengan energi untuk mendinginkan seluruh volume dalam rumah tanaman (Suhardiyanto 2009).
Hal ini didukung dengan hasil penelitian Matsuoka et al. (1992) yang melaporkan bahwa tanaman tomat dengan suhu daerah perakarannya dipertahankan pada suhu 21 s.d. 23 oC ternyata dapat tumbuh jauh lebih baik dalam sistem nutrient film technique (NFT) dibandingkan dengan yang berada pada tingkat suhu 25 s.d. 27 oC. Suhu daerah perakaran yang lebih rendah walaupun beberapa derajat tersebut ternyata sangat membantu pertumbuhan tanaman tomat (Suhardiyanto 2009).
Metode pendinginan terbatas yang telah dikembangkan di antaranya adalah pengaliran udara dingin ke zona tanaman dan pendinginan larutan nutrisi. Pendinginan larutan nutrisi lebih tepat untuk budidaya tanaman secara hidroponik. Panas jenis air lebih tinggi daripada udara sehingga larutan yang didinginkan akan bertahan pada suhu rendah lebih lama dibandingkan dengan udara (Suhardiyanto 2009).
3 Aliran Fluida dalam Pipa
Aliran fluida di dalam sebuah pipa diklasifikasikan ke dalam 3 jenis aliran, yaitu aliran laminar, transisi dan turbulen. Aliran di dalam pipa bundar adalah laminar jika bilangan Reynoldsnya kurang dari kira-kira 2100. Aliran di dalam pipa adalah turbulen jika bilangan Reynolds lebih besar dari kira-kira 4000. Bila bilangan Reynolds di antara kedua batas ini, aliran mungkin berubah dari keadaan laminar menjadi turbulen dengan perilaku acak yang jelas (aliran transisi) (Munson et al. 2005). Aliran fluida juga diklasifikasikan ke dalam aliran nyata dan ideal, mampu balik dan tak mampu balik (reversible dan irreversible), steady dan unsteady, seragam dan tak seragam, rotasional dan tak rotasional (Streeter dan Wylie 1985).
Pindah Panas
Panas dapat berpindah dengan tiga cara, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.
Konduksi
Konduksi adalah transmisi panas melalui padatan, gas atau cairan, atau diantara objek yang sama yang bersentuhan langsung panas dikonduksikan dari molekul yang mempunyai energi panas tinggi ke molekul yang mempunyai energi panas rendah (Mastalerz 1977). Besarnya laju aliran aliran panas dengan cara konduksi suatu bahan dinyatakan dengan menggunakan Hukum Fourier :
̇ -
(1)
Konveksi
Konveksi adalah perpindahan massa dari gas atau cairan yang panas ke suatu area yang lebih dingin; seperti pergerakan udara panas diseluruh bagian rumah tanaman terjadi karena konveksi (Mastalerz 1977). Laju perpindahan panas konveksi dinyatakan berdasarkan Hukum Newton :
̇ ( - (2)
Radiasi
Radiasi adalah perpindahan panas yang melewati suatu tempat dalam bentuk energi radiasi panas (Mastalerz 1977). Laju aliran panas suatu benda dengan cara radiasi dihitung berdasarkan Hukum Stefan-Boltzmann :
4
METODE
Waktu dan Tempat
Penelitian dilakukan di rumah tanaman (greenhouse) tipe modified standard peak Laboratorium Lapangan Siswadhi Soepardjo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Lokasi penelitian di dataran rendah dengan ketinggian 250 dpl. Pelaksanaan penelitian dilakukan pada bulan Juni–Agustus 2013.
Bahan dan Alat
Bahan dan alat yang digunakan adalah air sebagai pengganti larutan nutrisi, sistem pendinginan larutan nutrisi, sistem irigasi tetes, dan instrumen pengukuran. Sistem pendinginan larutan nutrisi meliputi pendingin Elitech tipe STC 8080H dan pompa celup Wasser tipe WD 101 dengan kapasitas maksimal 70 liter menit-1 dan total head 6 m. Sistem irigasi tetes meliputi bak penampung larutan nutrisi, pompa listrik Panasonic GA 130JAK (kapasitas 32 liter menit-1, daya hisap 9 m, daya dorong 18 meter, dan daya listrik 125 W), pipa utama dari PVC ukuran ¾ inch, pipa lateral, dan emitter. Alat ukur yang digunakan adalah termometer bola basah bola kering, termokopel dan hybrid recorder Yokogawa tipe MV Advance 1000, weather station Vantage Pro 2, dan flow meter Inline tipe panel.
Prosedur Pengambilan dan Analisis Data
Analisis pindah panas dilakukan terhadap aliran air yang melalui pipa utama. Dalam penelitian ini diambil beberapa asumsi, yaitu: (1) sifat fisik larutan nutrisi dianggap sama dengan air; (2) perpindahan panas yang terjadi hanya melalui proses konveksi dan konduksi dengan batas sistem adalah dinding paling luar saluran larutan nutrisi (Gambar 1); dan (3) perpindahan panas terjadi pada satu dimensi ke arah radial dalam keadaan steady. Sistem pengaliran larutan nutrisi yang akan dianalisis disajikan pada Lampiran 1.
Pengukuran akan dilakukan terhadap pipa utama yang merupakan bagian dari sistem irigasi tetes. Pipa utama yang digunakan adalah pipa PVC berukuran ¾ inch dengan panjang 5 meter. Insulasi yang digunakan adalah busa yang telah diukur konduktivitas termalnya dengan menggunakan thermal conductivity meter. Pengukuran dilakukan mulai dari titik 0 meter hingga titik 5 m pipa utama dengan jarak antar titik sebesar 1 m sehingga terdapat 6 titik di sepanjang pipa utama. Titik tersebut kemudian disebut sebagai titik O, A, B, C, D, dan E secara berurutan mulai dari titik 0 m hingga titik 5 m pipa utama. Pada setiap titik diukur suhu larutan nutrisi, suhu dinding dalam pipa, suhu dinding luar pipa, dan suhu bagian luar insulasi. Debit air diukur ketika air masuk dan keluar dari pipa utama dengan menggunakan flow meter.
5
katup yang dipasang sebelum pipa utama. Suhu udara dan kelembaban udara di dalam dan di luar rumah tanaman juga diukur setiap 30 menit. Radiasi matahari diukur sepanjang hari pada tanggal 19 Agustus 2013.
Aliran kalor menyeluruh sebagai hasil gabungan proses konduksi dan konveksi pada kondisi steady akan menghasilkan suatu tahanan termal (Çengel 2001). Persamaan total tahanan termal tersebut adalah sebagai berikut:
al all (4)
dimana Ri adalah tahanan termal karena pindah panas secara konveksi antara
fluida di dalam saluran dan dinding saluran bagian dalam, Rwall adalah tahanan
panas dari dinding saluran, dan Ro adalah tahanan panas karena pindah panas
secara konveksi antara dinding saluran bagian luar dan fluida di luar saluran. Dalam penelitian ini, sistem dibatasi sampai dengan permukaan insulasi. Oleh karena itu diadakan pengukuran di permukaan tersebut. Apabila pipa utama akan diberi insulasi, maka Rwall terdiri dari tahanan termal dari dinding pipa dan
dinding insulasi sehingga persamaannya menjadi sebagai berikut:
al ⁄ ( ⁄ 5
dimana
Laju perpindahan panas kemudian dapat diketahui dengan menggunakan persamaan:
Gambar 1Analisis pindah panas pada penelitian ini Insulasi
6
̇ 6
dimana U adalah overall heat transfer coefficient yang satuannya W m-2(Çengel, 2001). Dengan demikian, overall heat transfer coefficient (U) dapat dicari dengan menggunakan persamaan berikut:
1
3 1
3 2⁄ 1
2
3 ( 3⁄ 2
2
7
Bilangan Reynold perlu diketahui untuk menentukan jenis aliran suatu fluida. Bilangan Reynold dapat dicari dengan menggunakan persamaan:
8
Hukum pertama termodinamika secara sederhana dapat ditulis sebagai berikut:
Qin – Qout = Qstored (9)
Panas yang disimpan oleh air selama mengalir dapat dinyatakan dengan persamaan:
Q = ̇ Cp T (10)
Dengan demikian persamaan di atas dapat dikembangkan menjadi (Holman, 1997):
̇ ( (
11
Persamaan di atas dapat disederhanakan menjadi:
( ) 12
Menurut Kreith (1994), untuk aliran di dalam pipa atau saluran yang panjang, panjang-penting dalam bilangan Nusselt (Nu) adalah garis tengah atau hidroliknya atau Dh, yang berdefinisi:
7
Luas penampang aliran pipa adalah dan keliling basahnya (wetted perimeter) adalah . Oleh karena itu, garis tengah dalam pipa sama dengan garis tengah hidroliknya. Dengan demikian, Dh dapat dihitung dengan persamaan:
⁄ (
18 Besarnya koefisien konveksi antara dinding pipa dan air diperoleh dari persamaan:
19
Nilai Nu diperoleh dengan menggunakan persamaan yang terdapat pada Tabel 1 tergantung dari bilangan Reynoldnya. Kemudian dihitung juga perbandingan antara (L/Dh) apakah lebih besar atau lebih kecil dari 20. Properties
of saturated water yaitu Vs, Ka, Cp, µ, dan Pr dapat dilihat pada Lampiran 2. Diagram alir untuk analisis pindah panas dapat dilihat pada lampiran 3. Program Visual Basic yang digunakan dalam pengolahan data dapat dilihat pada lampiran 4. Tabel 1 Ikhtisar persamaan-persamaan yang digunakan dalam perpindahan panas
konveksi paksa di dalam salurana
Sistem Persamaan
8
HASIL DAN PEMBAHASAN
Iklim pada Rumah Tanaman
Pengambilan data dilakukan pada tanggal 19 Agustus 2013 saat hari cerah mulai pukul 07.00 – 17.00. Radiasi matahari tertinggi terjadi pada pukul 13.00 yaitu sebesar 912 W m-2 dan redup pada pukul 18.00. Suhu udara di dalam rumah tanaman tertinggi terjadi pada pukul 13.30 yaitu sebesar 35.5 oC dan suhu udara di luar rumah tanaman tertinggi terjadi pada pukul 14.30 yaitu sebesar 33.5 oC. Rata-rata perbedaan suhu udara antara di dalam rumah tanaman dan di luar tanaman adalah sebesar 2 oC. Hasil pengukuran dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2 Pola sebaran radiasi matahari yang mempengaruhi suhu di dalam dan di luar rumah tanaman (19 Agustus 2013)
Kelembaban udara di dalam dan di luar rumah tanaman pada tanggal 19 Agustus 2013 dapat dilihat pada Gambar 3. Kelembaban udara tertinggi di dalam rumah tanaman terjadi pada pukul 9.00 yaitu sebesar 92.87% dan kelembaban tertinggi di luar rumah tanaman terjadi pada pukul 7.00 yaitu sebesar 97%. Kelembaban udara di dalam rumah tanaman terendah terjadi pada pukul 7.00 yaitu sebesar 56.05% dan kelembaban udara terendah di luar rumah tanaman terjadi pada pukul 15.00 yaitu sebesar 42%. Terjadi kenaikan kelembaban udara yang cukup drastis di dalam rumah tanaman antara pukul 07.00 - 07.30. Pada saat pengukuran dilakukan mulai pukul 7.00, rumah tanaman berada dalam keadaan kering kemudian lantainya menjadi basah karena air yang keluar dari pipa utama. Air kemudian lambat laun menguap dan meningkatkan kelembaban di dalam rumah tanaman.
06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00
S
9
Kenaikan Suhu Air dalam Pipa Utama
Air yang dialirkan melalui pipa utama akan mengalami kenaikan suhu. Perubahan suhu air sepanjang pipa terjadi akibat proses pindah panas antara air, pipa, dan lingkungannya. Lingkungan di sini dapat berupa udara di dalam rumah tanaman atau lantai rumah tanaman. Pipa pada penelitian ini digantung pada ketinggian sekitar 25 cm dari lantai sehingga lingkungan yang mempengaruhi perpindahan panas hanya suhu udara.
Kenaikan suhu rata-rata pada jarak 1 m adalah sebesar 0.40 oC, pada jarak 2 m adalah sebesar 0.42 oC, pada jarak 3 m sebesar 0.54 oC, pada jarak 4 m sebesar 0.64 oC, dan sebesar 1.25 oC pada jarak 5 m. Pada pukul 8.00 terjadi kenaikan suhu yang cukup besar pada setiap titik pengukuran. Apabila diamati, baik kelembaban maupun suhu udara di dalam rumah tanaman juga mengalami kenaikan yang cukup besar. Kenaikan suhu dan kelembaban ini diduga belum merata di dalam rumah tanaman. Titik pengukuran pada jarak 5 m merupakan titik pengukuran dengan rata-rata kenaikan suhu yang paling tinggi pada pukul 8.00 karena posisinya berada di timur dan tidak terhalangi benda apapun sehingga terkena radiasi matahari secara intens. Kenaikan suhu air dapat dilihat pada Gambar 4.
Gambar 4 Kenaikan suhu air pada titik dengan jarak tertentu dari titik 0 m pipa utama terhadap waktu (19 Agustus 2013)
0.0 2.0 4.0 6.0
7:00 9:00 11:00 13:00 15:00 17:00
10
Pada Gambar 5 dapat diketahui suhu rata-rata larutan nutrisi, dinding luar pipa utama, dan bagian luar insulasi. Terdapat perbedaan suhu yang cukup besar antara suhu larutan nutrisi, dinding luar pipa, dan bagian luar insulasi. Hal ini menunjukkan bahwa insulasi cukup baik dalam menghambat pindah panas yang terjadi antara lingkungan dan suhu larutan nutrisi.
Gambar 5 Suhu rata-rata air, dinding luar pipa, dan bagian luar insulasi pada jarak tertentu dari titik 0 m pada pipa utama (19 Agustus 2013)
Laju Perpindahan Panas di Sepanjang Pipa
Hasil perhitungan laju perpindahan panas di sepanjang pipa ditunjukkan pada Gambar 6. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa laju perpindahan panas semakin meningkat seiring dengan jarak yang semakin besar dari titik 0 m pipa utama. Hal ini disebabkan karena luasan penampang yang dialiri aliran panas juga semakin meningkat.
Laju perpindahan panas ini diukur pada debit aliran sebesar 0.00025 m3 s-1. Hasil pengukuran debit sebelum dan sesudah memasuki pipa utama dapat dilihat pada Tabel 2. Hasilnya menunjukkan bahwa debit sebelum dan sesudah memasuki pipa utama besarnya sama sehingga dapat dipastikan tidak terjadi penurunan tekanan. Penurunan tekanan sebetulnya selalu terjadi dalam setiap aliran pipa karena adanya head loss baik mayor maupun minor. Akan tetapi, penurunan tekanan ini dapat dianggap tidak ada karena jumlahnya sangat kecil sehingga aliran diasumsikan steady.
10 15 20 25 30 35 40
0 1 2 3 4 5
Suh
u
(
oC)
11
Gambar 6 Laju perpindahan panas di sepanjang pipa (19 Agustus 2013) Tabel 2 Debit aliran sebelum dan sesudah memasuki pipa utama
Waktu
Flow meter Flow meter
Sebelum memasuki pipa utama Sesudah memasuki pipa utama l menit-1 m3 s-1 l menit-1 m3 s-1
12
Validasi Model Simulasi Pindah Panas
Validasi model ditujukan untuk menguji apakah perilaku umum dari model mampu mencerminkan perilaku sistem yang dimodelkan. Validasi model simulasi akan dilakukan dengan menggunakan metode analisis regresi linear. Analisis regresi linear dilakukan dengan membandingkan suhu hasil prediksi dengan hasil pengukuran. Hubungan linear antara kedua variabel tersebut kemudian diamati. Prediksi suhu air semakin akurat jika nilai gradien dari persamaan regresi linear tersebut mendekati satu sedangkan intersepnya mendekati nol. Koefisien determinasi dihasilkan menunjukkan tingkat keeratan korelasi antara hasil perhitungan dengan pengukuran.
Hasil analisis regresi linier seperti yang dapat dilihat pada Gambar 7, 8, 9, 10, 11 dan 12 menunjukkan hasil yang cukup baik. Gradien garis regresi yang diperoleh mendekati satu dan intersepnya hampir semuanya mendekati nol. Koefisien determinasi yang dihasilkan juga cukup tinggi. Hal ini menunjukkan bahwa model pindah panas yang dikembangkan cukup akurat dalam memprediksi suhu air yang keluar dari pipa utama. Model tersebut dapat digunakan sebagai alat bantu untuk perencanaan sistem pendinginan larutan nutrisi untuk hidroponik substrat.
Berdasarkan hasil analisis regresi linear di atas dapat dilihat bahwa ada kecenderungan koefisien determinasi semakin rendah ketika jarak titik pengukuran dari input larutan nutrisi semakin jauh. Hal ini dapat disebabkan karena nilai konduktivitas termal dari insulasi atau pipa yang diambil di dalam perhitungan terlalu rendah daripada konduktivitas termal yang sesungguhnya dari insulasi dan pipa. Hal ini juga dapat disebabkan karena pemasangan insulasi yang kurang baik sehingga pindah panas yang terjadi lebih besar daripada yang seharusnya.
Pada Gambar 7 sampai dengan 12 dapat dilihat bahwa suhu output larutan nutrisi bervariasi pada jarak yang sama. Hal ini terjadi karena suhu input larutan nutrisinya juga bervariasi. Pada awalnya, suhu air di dalam tangki ditetapkan akan didinginkan hingga suhu 10 oC. Akan tetapi, larutan nutrisi di dalam tangki ada kalanya habis dan harus diisi dengan yang baru. Air yang baru dimasukkan ke dalam tangki ini pada saat pengukuran berikutnya masih berada di atas suhu 10 oC.
13
Gambar 7 Hubungan antara suhu output air hasil simulasi dengan hasil pengukuran pada jarak 1 m
Gambar 8 Hubungan antara suhu output air hasil simulasi dengan hasil pengukuran pada jarak 2 m
14
Gambar 9 Hubungan antara suhu output air hasil simulasi dengan hasil pengukuran pada jarak 3 m
Gambar 10 Hubungan antara suhu output air hasil simulasi dengan hasil pengukuran pada jarak 4 m
15
Gambar 11 Hubungan antara suhu output air hasil simulasi dengan hasil pengukuran pada jarak 5 m
16
Tabel 3 Gradien, intersep, dan koefisien determinasi dari hasil analisis regresi linier terhadap hasil simulasi
No Titik yang dibandingkan Gradien Intersep Koefisien determinasi 1 Jarak 1 meter dari input 1.0127 -0.0432 0.9781
2 Jarak 2 meter dari input 1.0199 -0.2642 0.9764 3 Jarak 3 meter dari input 0.9724 -0.5486 0.9706 4 Jarak 4 meter dari input 1.0258 -0.2770 0.9363 5 Jarak 5 meter dari input 0.9215 0.0404 0.8098
6 Keseluruhan 0.9668 0.0893 0.9114
Simulasi Perencanaan Suhu Input Larutan Nutrisi untuk Irigasi Tetes Simulasi model pindah panas dilakukan untuk perencanaan pendinginan terhadap larutan nutrisi agar diperoleh suhu output yang optimum bagi tanaman. Tanaman yang akan digunakan dalam simulasi adalah tanaman kentang. Menurut Samadi (1997), suhu tanah optimal bagi pertumbuhan umbi berkisar antara 10 sampai 30 oC. Menurut Tizio (1978), tanaman kentang yang tumbuh di dataran tinggi tropika dapat mengalami pembentukan umbi dengan baik pada suhu udara siang 25 oC. Smith dalam Sutater et al. (1987) juga menyatakan bahwa suhu tanah kurang dari 15 oC dapat menyebabkan rendahnya kandungan pati dalam umbi. Berdasarkan pernyataan-pernyataan tersebut, output larutan nutrisi pada pipa utama ditentukan sebesar 20 oC.
17
Gambar 13 Simulasi suhu input larutan nutrisi yang dibutuhkan untuk mendapatkan suhu 20 oC pada pipa utama dengan panjang 1 - 20 m 18.0
Jarak larutan nutrisi yang disimulasikan suhunya dari output pipa utama (m)
Tanpa insulasi Glass wool (tebal 1 cm)
Glass wool (tebal 2 cm) Rock wool (tebal 1 cm) Rock wool (tebal 2 cm) Cotton wool (tebal 1 cm) Cotton wool (tebal 2 cm)
Tabel 4 Input data untuk simulasi perencanaan suhu input larutan nutrisi
Input data Lambang Satuan Nilai
Suhu output larutan nutrisi To oC 20
Konduktivitas termal insulasi* ki W m-1 K-1 Opsional
18
Hasil simulasi menunjukkan bahwa untuk memperoleh suhu 20 oC pada jarak 20 meter diperlukan suhu 18.059 oC tanpa insulasi. Jika diberi insulasi, suhu input larutan nutrisi dapat lebih tinggi sehingga tidak perlu didinginkan sampai suhu yang terlalu rendah. Sebetulnya kenaikan suhu yang terjadi sepanjang 20 m tidak terlalu tinggi sehingga insulasi tidak terlalu diperlukan. Akan tetapi, suhu di sepanjang pipa yang diberi insulasi lebih seragam sehingga seluruh tanaman kentang dapat memperoleh suhu yang lebih seragam walaupun jaraknya berbeda-beda dari input larutan nutrisi pada pipa utama.
Suhu yang input larutan nutrisi untuk mencapai suhu output larutan nutrisi 20 oC pada jarak 20 m dengan menggunakan glass wool 1 cm dan 2 cm, rock wool 1 cm dan 2 cm, serta cotton wool 1 cm dan 2 cm secara berurutan adalah sebesar 19.74 dan 19.85 oC, 19.72 dan 19.83 oC, serta 19.81 dan 19.89 oC. Dapat dilihat bahwa semakin tebal insulasi semakin besar juga penurunan laju perpindahan panas yang terjadi. Akan tetapi penambahan ketebalan ini perlu dipelajari lebih lanjut. Hal ini karena menurut Cengel (2001), ketebalan insulasi memang akan meningkatkan resistansi termal konduksi dari bahan insulasi namun semakin tebal insulasi tahanan termal konveksi akan menurun karena luas permukaan bagian luar insulasi semakin besar yang menyebabkan perpindahan panas secara konveksi juga semakin tinggi.
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Berdasarkan analisis pindah panas diketahui rata-rata laju perpindahan panas meningkat seiring dengan meningkatnya panjang pipa yang dilalui larutan nutrisi. Laju perpindahan panas yang terjadi berturut-turut dari jarak 1 m hingga 5 m adalah sebesar 7.30, 16.79, 27.86, 36.58, dan 41.58 W. Hasil validasi menunjukkan bahwa model pindah panas yang dikembangkan dapat digunakan untuk memprediksi suhu air yang keluar dari pipa utama sebelum masuk ke dalam pipa lateral pada jaringan irigasi tetes untuk hidroponik substrat di dalam rumah tanaman. Hal ini ditunjukkan dengan gradiennya yang mendekati satu, intersep yang mendekati 0, dan koefisien determinasi yang mendekati 1. Hasil simulasi menunjukkan bahwa untuk mendapatkan suhu output larutan nutrisi sebesar 20 oC pada pipa utama berbahan PVC ukuran ¾ inch tanpa insulasi dengan panjang pipa 20 m suhu input larutan nutrisi harus didinginkan hingga suhu 18.06 oC
Saran
19
DAFTAR PUSTAKA
Anonim. 2010. Thermal conductivity of some common materials and gases [internet]. Tersedia pada: http://www.engineeringtoolbox.com/thermal-conductivity-d_429.html [diakses 2013 Agustus 22].
Çengel YA, Turner RH. 2001. Fundamentals of Thermal Fluid Sciences. New York (US): McGraw-Hill Company, Inc.
Correa RM, Pinto JEBP, Faquin, Pinto CABP, Reis ES. 2009. The production of seed potatoes by hydroponics methods in Brazil. Glob Sci: Fruit, Vegetable and Cereal Science and Biotechnology. Special Issue 1:133-139.
Holman JP. 1997. Perpindahan Kalor. Jasfi E, penerjemah. Jakarta (ID): Penerbit Erlangga.
Kreith P. 1986. Prinsip-prinsip Perpindahan Panas. Prijono A, penerjemah. Jakarta (ID): Penerbit Erlangga. Terjemahan dari: Principles of Heat Transfer. Mastalerz JW. 1977. The Greenhouse Environment: The Effect of Environmental
Factors on The Growth and Development of Flowers Crops. New York (US): John Wiley & Sons, Inc.
Matsuoka T, Suhardiyanto H. 1992. Thermal and flowing aspects of growing petty tomato in cooled NFT solution during summer. Environ, Contr, Biol. 30(3):119-125.
Munson BR, Young DF, Okiishi TH. 2002. Harinaldi, Budiarso, penerjemah; Hardani HW, editor. Jakarta (ID): Penerbit Erlangga. Terjemahan dari: Fundamentals of Fluid Mechanics 4th ed.
Nevers ND. 2005. Fluid Mechanics for Chemical Engineers 3rd ed. New York (ID): McGraw-Hill Company, Inc.
New L, Roland ER. 2013. Drip irrigation for greenhouse vegetable production [internet]. Tersedia pada: http://aggiehorticulture.tamu.edu/greenhouse/ hydroponics/drip.html [diakses 2013 Agustus 22].
Samadi B. 1997. Kentang dan Analisis Usaha Tani. Yogyakarta (ID): Kanisius. Suhardiyanto H. 1994. Studies on zone cooling method for greenhouse culture
[thesis]. Japan (ID): Ehime University.
Suhardiyanto H. 2009. Teknologi Rumah Tanaman untuk Iklim Tropika Basah: Pemodelan dan Pengendalian Lingkungan. Bogor (ID): IPB Pr.
Sutater T, Wiroatmodjo J, Solahuddin S, Nasoetion LI, Bey A, Nur MA. 1987. Pertumbuhan dua varietas kentang (Solanum tuberosum L.) di lingkungan dataran rendah.
20
Lampiran 1 Skema titik pengukuran pada pipa utama
Mesin Pendingin Pompa
Flow Meter Pipa Utama
Pipa
Pipa Lateral Katup Keterangan:
Pada setiap titik O, A, B, C, D, dan E diukur : Tn = Suhu larutan nutrisi (oC)
Td1 = Suhu dinding pipa bagian dalam (m) Td2 = Suhu dinding pipa bagian luar (m) Td3 = Suhu insulasi bagian luar (m)
1
00
3
00
Tangki Larutan Nutrisi
O
A
B
C
D
E
5
m
1
m
1
m
1
m
21 Lampiran 2 Sifat-sifat fisik air
Suhu Volume
spesifik Kalor jenis
Konduktivitas termal
Viskositas dinamik
Bilangan Prandtl
T Vs Cp ka µ Pr
(oC) (kg m-3) (J kg-1oC-1) (W m-1oC-1) (kg m-1 s-1)
5 999.9 4205 0.571 1.519 x 10-3 11.20
10 999.7 4194 0.580 1.307 x 10-3 9.45
15 999.1 4185 0.589 1.138 x 10-3 8.09
20 998.0 4182 0.598 1.002 x 10-3 7.01
25 997.0 4180 0.607 0.891 x 10-3 6.14
30 996.0 4178 0.615 0.798 x 10-3 5.42
35 994.0 4178 0.623 0.720 x 10-3 4.83
22
Lampiran 3 Diagram alir analisis pindah panas
M
, , , , , , , ,
H t f t f k 2
H t P 18
H t
P 8
> 2100
/ < 20
H t N
T 1 P 14
T k Y
/ < 20
H t N
T 1 P 13
H t N
T 1 P 15
H t N
T 1 P 16
H t (P 19
H t P 7
H t ’ P 12
H t P 10
T ’, Q
S
Y Y
23 Lampiran 4 Program untuk memprediksi suhu larutan nutrisi
Private Sub Command1_Click()
If Text1.Text = "" Or Text2.Text = "" Or Text3.Text = "" Or Text4.Text = "" Or Text5.Text = "" Or Text6.Text = "" Or Text7.Text = "" Or
Text8.Text = "" Then
24
27 Lampiran 4 (lanjutan)
End If End If End If End If End If End If
Text17.Text = Vs Text18.Text = Cp Text19.Text = Ka Text20.Text = Mu Text21.Text = Pr Dim DH As Single DH = D2 - D1 Dim Re, V As Single
V = debit / (0.25 * 3.14 * (D1 ^ 2)) Re = (Vs * V * DH) / Mu
Text16.Text = Re Dim K, Nu As Single
If Re > 2100 Then
Label40.Caption = "Aliran turbulen" K = L / DH
If K < 20 Then
Label41.Caption = "Pipa pendek"
Nu = 0.023 * ((1 + (DH / L)) ^ 0.7) * (Re ^ 0.8) * (Pr ^ 0.33) End If
If K > 20 Then
Label41.Caption = "Pipa panjang" Nu = 0.023 * (Re ^ 0.8) * (Pr ^ 0.33) Lampiran 4 (lanjutan)
End If End If
If Re < 2100 Then
Label40.Caption = "Aliran laminer" K = L / DH
28
Lampiran 4 (lanjutan)
If K < 20 Then
Label41.Caption = "Pipa pendek"
Nu = Re * Pr * DH / (4 * L) * Log(1 - (2.6 / (Pr ^ 0.167 * (Re * Pr * DH / L) ^ 0.5))) ^ -1
End If
If K > 20 Then
Label41.Caption = "Pipa panjang"
Nu = 1.86 * ((Re * Pr * DH / L) ^ 0.33) * (0.36 ^ 0.14) End If
End If
'MENGHITUNG KOEFISIEN KONVEKSI Dim h As Single
h = (Ka * Nu) / DH
'MENGHITUNG KOEFISIEN PINDAH PANAS KESELURUHAN Dim A1, A2, A3, D3 As Single
D3 = D2 + t
A1 = (3.14 * (D1 / 2) * L) A2 = (3.14 * (D2 / 2) * L) A3 = (3.14 * (D3 / 2) * L)
If Text10.Text = "" Or Text9.Text = "" Then U1 = A3 / (A1 * h)
U2 = (A3 * (Log((A2 / 2) / (A1 / 2)))) / (2 * 3.14 * kp * L) U = (U1 + U2) ^ -1
Else
U1 = A3 / (A1 * h)
U2 = (A3 * (Log((A2 / 2) / (A1 / 2)))) / (2 * 3.14 * kp * L) U3 = (A3 * (Log((A3 / 2) / (A2 / 2)))) / (2 * 3.14 * ki * L) U = (U1 + U2 + U3) ^ -1
End If
'SIMULASI SUHU OUTPUT Dim m As Single
m = debit * Vs
Th = Td - ((Td - Tin) / (Exp(1) ^ ((U * A3) / (m * Cp))))
'MENGHITUNG BEDA TEMPERATUR INPUT DENGAN TEMPERATUR HASIL PREDIKSI
29 Lampiran 4 (lanjutan)
'MENGHITUNG ERROR E = Th - Tu
'MENGHITUNG PINDAH PANAS q = m * Cp * deltaT
Text11.Text = Th Text12.Text = U Text13.Text = deltaT Text14.Text = E Text15.Text = q End Sub
Private Sub Command2_Click() Text1.Text = ""
Text2.Text = "" Text3.Text = "" Text4.Text = "" Text5.Text = "" Text6.Text = "" Text7.Text = "" Text8.Text = "" Text9.Text = "" Text10.Text = "" Text11.Text = "" Text12.Text = "" Text13.Text = "" Text14.Text = "" Text15.Text = "" Text16.Text = "" Text17.Text = "" Text18.Text = "" Text19.Text = "" Text20.Text = "" Text21.Text = "" End Sub
Private Sub Command3_Click() End
30
Lampiran 5 Konduktivitas termal beberapa material*
Material W m-1 K-1
Pipa PVC 0.16
Glass wool 0.040
Rock wool 0.045
Cotton wool 0.029
31
