Pemodelan Sistem Termal Dan Simulasi Pada Oven Surya

PEMODELAN SISTEM TERMAL DAN SIMULASI

PADA OVEN SURYA

R O P I U D I N

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

INFORMASI

Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis “Pemodelan Sistem Termal dan Simulasi pada Oven Surya” merupakan karya saya sendiri dan belum pernah diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber data dan informasi yang digunakan dalam karya yang diterbitkan maupun yang tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam daftar pustaka di bagian akhir tesis ini.

Bogor, Agustus 2007

Ropiudin

ABSTRAK

ROPIUDIN. Pemodelan Sistem Termal dan Simulasi pada Oven Surya. Dibawah bimbingan KAMARUDDIN ABDULLAH dan LEOPOLD OSCAR NELWAN.

Penggunaan energi surya sebagai sumber energi untuk memasak perlu dimanfaatkan. Dengan demikian diperlukan pemasak surya (oven surya) yang optimal dengan penyebaran suhu yang seragam pada bagian ruang pemasakan. Sehingga proses pemasakan dapat berlangsung dengan baik. Untuk itu akan dibuat pemodelan sistem termal dari oven surya dan mensimulasikan fenomena fisis yang terjadi dengan

pendekatan finite volume menggunakan teknik Computational Fluid Dynamics

(CFD). Pemodelan dan simulasi yang dilakukan dapat dijadikan dasar untuk

memperoleh disain yang optimal.

Model matematika pada sistem termal sudah diperoleh dengan baik. Model diperoleh pada pendekatan lump dan spasial. Model menghasilkan nilai validasi yang cukup baik sebesar 0.826 dengan galat rata-rata sebesar 13.45% dan standar deviasi sebesar 12.46oC pada kondisi kuasi steady state dan 0.772 dengan galat rata-rata sebesar 14.36% dan standar deviasi sebesar 12.29oC pada kondisi

© Hak cipta milik Institut Pertanian Bogor, 2007

Hak cipta dilindungi

Dilarang mengutip dan memperbanyak tanpa izin tertulis dar Institut Pertanian Bogor, sebagian atau seluruhnya dalam bentuk apapun,

KATA PENGANTAR

Tiada kata yang pantas diucapkan di awal pengantar ini kecuali “Alhamdulillahirobbil 'alamiin”. Melalui kasih sayang-Nya, tesis mengenai “Pemodelan Sistem Termal dan Simulasi pada Oven Surya” selesai dengan harapan dapat memberikan kontribusi untuk ilmu pengetahuan. Sholawat dan salam semoga senantiasa tercurah kepada uswah kita, Muhammad SAW beserta keluarga dan pengikutnya yang setia hingga akhir zaman.

Rasa terima kasih yang mendalam disampaikan kepada: Prof. Dr. Kamaruddin Abdullah, MSA, IPU selaku ketua komisi pembimbing yang telah memberikan kontribusi yang sangat berharga dan bermakna terhadap tesis ini, Dr. Ir. Leopold Oscar Nelwan, M.Si selaku anggota komisi pembimbing yang telah banyak memberikan saran dan koreksi terhadap tesis ini, Dr. Ir. Suroso, M.Agr selaku penguji luar komisi yang telah banyak memberikan koreksi terhadap isi tesis ini. Bagian Energi dan Elektrifikasi Pertanian, Dept. Teknik Pertanian IPB atas bantuan dan dukungan tempat dan peralatan penelitian, Bagian Lingkungan dan Bangunan

Pertanian, Dept. Teknik Pertanian IPB atas bantuan perekam data Hybrid Recorder.

Temen-teman di SPs IPB; teman-teman TEP 2004, TPP 2004, senior di Sub-program Ilmu dan Teknik Energi Terbarukan; Binsar Nababan (alm.), Gunadnya, Totok Prasetyo, Kudrat Sunandar, Arif Guritno, Yogi Siroz, dan Joelianingsih, juga temen-teman di Tokyo, Ardiansyah beserta isteri dan Aep Saepul Uyun atas bantuan, dukungan, dan saran-saran yang diberikan, Depdiknas, Dirjen Dikti melalui Program Hibah Kompetisi (PHK) A2, Jurusan Teknologi Pertanian Unsoed Purwokerto atas bantuan paket biaya studi yang diberikan.

Sujud syukur pada Allah SWT yang telah memberikan kepada penulis suatu karunia agung seorang ibunda yang senantiasa memberikan dorongan dan tetesan air mata dalam tiap sujud malamnya untuk kebaikan semua putra-putrinya, Ayah (alm.) dan Abah (alm.) atas doa dan wejangannya serta adik-adik tercinta atas semua yang telah diberikan.

Terakhir dan teristimewa diuntaikan segenap kebaikan untuk isteriku tercinta, Kavadya Syska, SP, M.Si yang tidak bosan-bosan memberikan doa, dorongan, waktu, dan perhatian dikala suka maupun duka. Juga sebagai partner diskusi yang baik.

Segala usaha dan upaya telah dilakukan guna menghasilkan tesis yang baik.

Namun demikian, tentunya tiada gading yang tak retak, demikian halnya dengan tesis

ini. Semoga tesis ini bermanfaat adanya.

Bogor, Agustus 2007

PADA OVEN SURYA

R O P I U D I N

Tesis

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains dalam bidang Ilmu Keteknikan Pertanian

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

Judul Tesis : Pemodelan Sistem Termal dan Simulasi pada Oven Surya

Nama : Ropiudin

NIM : F151040041

Disetujui Komisi Pembimbing

Prof. Dr. Kamaruddin Abdullah, MSA, IPU Ketua

Dr. Ir. Leopold Oscar Nelwan, M.Si Anggota

Diketahui Ketua Program Studi

Ilmu Keteknikan Pertanian

Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan, M.Agr.

Dekan Sekolah Pascasarjana

Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, MS.

Ropiudin dilahirkan di Cirebon, 21 Juli 1977. Penulis merupakan putra pertama dari pasangan H. Romli (Alm.) dan Hj. Ropiah. Penulis memiliki seorang isteri bernama Kavadya Syska yang dinikahi pada 3 Agustus 2007.

Pendidikan dasar (SD) sampai menengah atas (SMA) dijalani di Cirebon. Tahun 1995 lulus SMA dan melanjutkan studi S1 pada Jurusan Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian IPB, lulus tahun 2001. Pada tahun 2002 diangkat menjadi dosen tetap Fakultas Pertanian Universitas Jenderal Soedirman (Unsoed) pada Program Studi Teknik Pertanian. Selanjutnya, tahun 2004 melanjutkan studi S2 di Sekolah Pascasarjana IPB pada Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian, sub-program Ilmu dan Teknik Energi Terbarukan dengan biaya dari Depdiknas RI, Dirjen Dikti melalui Program Hibah Kompetisi (PHK) A2 Jurusan Teknologi Pertanian Unsoed Purwokerto.

Beberapa riset yang berkenaan dengan disain sistem termal telah dilakukan. Saat ini penulis merupakan anggota dalam asosiasi profesi, seperti Masyarakat Energi Terbarukan Indonesia (METI), Perhimpunan Teknik Pertanian (Perteta), dan International Society of Lyophilization – Freeze Drying (ISL-FD).

Penulis aktif dalam beberapa program pengembangan Unsoed, antara lain sebagai anggota tim pengembangan Program Studi Teknik Pertanian, anggota tim pengembangan Jurusan Teknologi Pertanian, staf produksi majalah ilmiah populer Unsoed, editor lepas pada Penerbit Puspaswara (Grup Trubus), staf editor pada Penerbit Tanda Baca Depok, dan sebagai koordinator kerjasama riset ”Food

Information and Engineering Center for Sustainable Agriculture (FIECSA)”

DAFTAR ISI

DAFTAR ISI ……….. i

DAFTAR TABEL ……….. ii

DAFTAR GAMBAR ………. iii

DAFTAR LAMPIRAN ………. v

DAFTAR SIMBOL ………... vi

PENDAHULUAN ………... 1

Latar Belakang ……… 1

Tujuan ………. 3

Manfaat ………... 3

TINJAUAN PUSTAKA ………... 4

Sumber dan Kebutuhan Energi untuk Memasak ……… 4

Tipe-tipe Pemasak Surya ………... 4

Perkembangan Penelitian Pemasak Surya ………... 4

Pendekatan dalam Pemodelan Sistem Termal ………... 6

Computational Fluid Dynamics (CFD) ………... 6

PENDEKATAN TEORITIS ……… 11

Prinsip Kerja Oven Surya ………... 11

Fokus Oven Surya Berdasarkan Pendekatan Geometri ………... 13

Pemodelan dengan Pendekatan Lump ………... 16

Pemodelan dengan Pendekatan Spasial ………... 17

Kode CFD ………... 18

BAHAN DAN METODE PERCOBAAN ………... 22

Waktu dan Tempat ……….. 22

Bahan dan Alat ………... 22

Prosedur Percobaan ………... 22

HASIL DAN PEMBAHASAN ... 27

Titik Fokus Letak Pemasakan ... 27

Lama Pemasakan ... 31

Perubahan Nilai C terhadap Lama Pemasakan ... 32

Sebaran Suhu Ruang Oven pada Kondisi Kuasi Steady State ... 34

Data Pengukuran ... 34

Model Lump ... 36

Model Spasial (Menggunakan Metode CFD) ... 37

Sebaran Suhu Ruang Oven pada Kondisi Unsteady State ... 40

Data Pengukuran ... 40

Model Lump ... 40

Validasi Model Sebaran Suhu Ruang Oven ... 41

SIMPULAN DAN SARAN ... 42

DAFTAR PUSTAKA ……… 43

DAFTAR TABEL

Tabel 1. Persamaan garis pada bidang datar reflektor ... 14

Tabel 2. Tabulasi pengukuran pada kondisi kuasi steady state dan

unsteady state ………... 24

Tabel 3. Hasil percobaan lama pemasakan air ………... 31 Tabel 4. Hasil simulasi lama pemasakan dan suhu air pada beberapa nilai C

PEMODELAN SISTEM TERMAL DAN SIMULASI

PADA OVEN SURYA

R O P I U D I N

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

INFORMASI

Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis “Pemodelan Sistem Termal dan Simulasi pada Oven Surya” merupakan karya saya sendiri dan belum pernah diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber data dan informasi yang digunakan dalam karya yang diterbitkan maupun yang tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam daftar pustaka di bagian akhir tesis ini.

Bogor, Agustus 2007

Ropiudin

ABSTRAK

ROPIUDIN. Pemodelan Sistem Termal dan Simulasi pada Oven Surya. Dibawah bimbingan KAMARUDDIN ABDULLAH dan LEOPOLD OSCAR NELWAN.

Penggunaan energi surya sebagai sumber energi untuk memasak perlu dimanfaatkan. Dengan demikian diperlukan pemasak surya (oven surya) yang optimal dengan penyebaran suhu yang seragam pada bagian ruang pemasakan. Sehingga proses pemasakan dapat berlangsung dengan baik. Untuk itu akan dibuat pemodelan sistem termal dari oven surya dan mensimulasikan fenomena fisis yang terjadi dengan

pendekatan finite volume menggunakan teknik Computational Fluid Dynamics

(CFD). Pemodelan dan simulasi yang dilakukan dapat dijadikan dasar untuk

memperoleh disain yang optimal.

Model matematika pada sistem termal sudah diperoleh dengan baik. Model diperoleh pada pendekatan lump dan spasial. Model menghasilkan nilai validasi yang cukup baik sebesar 0.826 dengan galat rata-rata sebesar 13.45% dan standar deviasi sebesar 12.46oC pada kondisi kuasi steady state dan 0.772 dengan galat rata-rata sebesar 14.36% dan standar deviasi sebesar 12.29oC pada kondisi

© Hak cipta milik Institut Pertanian Bogor, 2007

Hak cipta dilindungi

Dilarang mengutip dan memperbanyak tanpa izin tertulis dar Institut Pertanian Bogor, sebagian atau seluruhnya dalam bentuk apapun,

KATA PENGANTAR

Tiada kata yang pantas diucapkan di awal pengantar ini kecuali “Alhamdulillahirobbil 'alamiin”. Melalui kasih sayang-Nya, tesis mengenai “Pemodelan Sistem Termal dan Simulasi pada Oven Surya” selesai dengan harapan dapat memberikan kontribusi untuk ilmu pengetahuan. Sholawat dan salam semoga senantiasa tercurah kepada uswah kita, Muhammad SAW beserta keluarga dan pengikutnya yang setia hingga akhir zaman.

Rasa terima kasih yang mendalam disampaikan kepada: Prof. Dr. Kamaruddin Abdullah, MSA, IPU selaku ketua komisi pembimbing yang telah memberikan kontribusi yang sangat berharga dan bermakna terhadap tesis ini, Dr. Ir. Leopold Oscar Nelwan, M.Si selaku anggota komisi pembimbing yang telah banyak memberikan saran dan koreksi terhadap tesis ini, Dr. Ir. Suroso, M.Agr selaku penguji luar komisi yang telah banyak memberikan koreksi terhadap isi tesis ini. Bagian Energi dan Elektrifikasi Pertanian, Dept. Teknik Pertanian IPB atas bantuan dan dukungan tempat dan peralatan penelitian, Bagian Lingkungan dan Bangunan

Pertanian, Dept. Teknik Pertanian IPB atas bantuan perekam data Hybrid Recorder.

Temen-teman di SPs IPB; teman-teman TEP 2004, TPP 2004, senior di Sub-program Ilmu dan Teknik Energi Terbarukan; Binsar Nababan (alm.), Gunadnya, Totok Prasetyo, Kudrat Sunandar, Arif Guritno, Yogi Siroz, dan Joelianingsih, juga temen-teman di Tokyo, Ardiansyah beserta isteri dan Aep Saepul Uyun atas bantuan, dukungan, dan saran-saran yang diberikan, Depdiknas, Dirjen Dikti melalui Program Hibah Kompetisi (PHK) A2, Jurusan Teknologi Pertanian Unsoed Purwokerto atas bantuan paket biaya studi yang diberikan.

Sujud syukur pada Allah SWT yang telah memberikan kepada penulis suatu karunia agung seorang ibunda yang senantiasa memberikan dorongan dan tetesan air mata dalam tiap sujud malamnya untuk kebaikan semua putra-putrinya, Ayah (alm.) dan Abah (alm.) atas doa dan wejangannya serta adik-adik tercinta atas semua yang telah diberikan.

Terakhir dan teristimewa diuntaikan segenap kebaikan untuk isteriku tercinta, Kavadya Syska, SP, M.Si yang tidak bosan-bosan memberikan doa, dorongan, waktu, dan perhatian dikala suka maupun duka. Juga sebagai partner diskusi yang baik.

Segala usaha dan upaya telah dilakukan guna menghasilkan tesis yang baik.

Namun demikian, tentunya tiada gading yang tak retak, demikian halnya dengan tesis

ini. Semoga tesis ini bermanfaat adanya.

Bogor, Agustus 2007

PADA OVEN SURYA

R O P I U D I N

Tesis

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains dalam bidang Ilmu Keteknikan Pertanian

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

Judul Tesis : Pemodelan Sistem Termal dan Simulasi pada Oven Surya

Nama : Ropiudin

NIM : F151040041

Disetujui Komisi Pembimbing

Prof. Dr. Kamaruddin Abdullah, MSA, IPU Ketua

Dr. Ir. Leopold Oscar Nelwan, M.Si Anggota

Diketahui Ketua Program Studi

Ilmu Keteknikan Pertanian

Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan, M.Agr.

Dekan Sekolah Pascasarjana

Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, MS.

Ropiudin dilahirkan di Cirebon, 21 Juli 1977. Penulis merupakan putra pertama dari pasangan H. Romli (Alm.) dan Hj. Ropiah. Penulis memiliki seorang isteri bernama Kavadya Syska yang dinikahi pada 3 Agustus 2007.

Pendidikan dasar (SD) sampai menengah atas (SMA) dijalani di Cirebon. Tahun 1995 lulus SMA dan melanjutkan studi S1 pada Jurusan Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian IPB, lulus tahun 2001. Pada tahun 2002 diangkat menjadi dosen tetap Fakultas Pertanian Universitas Jenderal Soedirman (Unsoed) pada Program Studi Teknik Pertanian. Selanjutnya, tahun 2004 melanjutkan studi S2 di Sekolah Pascasarjana IPB pada Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian, sub-program Ilmu dan Teknik Energi Terbarukan dengan biaya dari Depdiknas RI, Dirjen Dikti melalui Program Hibah Kompetisi (PHK) A2 Jurusan Teknologi Pertanian Unsoed Purwokerto.

Beberapa riset yang berkenaan dengan disain sistem termal telah dilakukan. Saat ini penulis merupakan anggota dalam asosiasi profesi, seperti Masyarakat Energi Terbarukan Indonesia (METI), Perhimpunan Teknik Pertanian (Perteta), dan International Society of Lyophilization – Freeze Drying (ISL-FD).

Penulis aktif dalam beberapa program pengembangan Unsoed, antara lain sebagai anggota tim pengembangan Program Studi Teknik Pertanian, anggota tim pengembangan Jurusan Teknologi Pertanian, staf produksi majalah ilmiah populer Unsoed, editor lepas pada Penerbit Puspaswara (Grup Trubus), staf editor pada Penerbit Tanda Baca Depok, dan sebagai koordinator kerjasama riset ”Food

Information and Engineering Center for Sustainable Agriculture (FIECSA)”

DAFTAR ISI

DAFTAR ISI ……….. i

DAFTAR TABEL ……….. ii

DAFTAR GAMBAR ………. iii

DAFTAR LAMPIRAN ………. v

DAFTAR SIMBOL ………... vi

PENDAHULUAN ………... 1

Latar Belakang ……… 1

Tujuan ………. 3

Manfaat ………... 3

TINJAUAN PUSTAKA ………... 4

Sumber dan Kebutuhan Energi untuk Memasak ……… 4

Tipe-tipe Pemasak Surya ………... 4

Perkembangan Penelitian Pemasak Surya ………... 4

Pendekatan dalam Pemodelan Sistem Termal ………... 6

Computational Fluid Dynamics (CFD) ………... 6

PENDEKATAN TEORITIS ……… 11

Prinsip Kerja Oven Surya ………... 11

Fokus Oven Surya Berdasarkan Pendekatan Geometri ………... 13

Pemodelan dengan Pendekatan Lump ………... 16

Pemodelan dengan Pendekatan Spasial ………... 17

Kode CFD ………... 18

BAHAN DAN METODE PERCOBAAN ………... 22

Waktu dan Tempat ……….. 22

Bahan dan Alat ………... 22

Prosedur Percobaan ………... 22

HASIL DAN PEMBAHASAN ... 27

Titik Fokus Letak Pemasakan ... 27

Lama Pemasakan ... 31

Perubahan Nilai C terhadap Lama Pemasakan ... 32

Sebaran Suhu Ruang Oven pada Kondisi Kuasi Steady State ... 34

Data Pengukuran ... 34

Model Lump ... 36

Model Spasial (Menggunakan Metode CFD) ... 37

Sebaran Suhu Ruang Oven pada Kondisi Unsteady State ... 40

Data Pengukuran ... 40

Model Lump ... 40

Validasi Model Sebaran Suhu Ruang Oven ... 41

SIMPULAN DAN SARAN ... 42

DAFTAR PUSTAKA ……… 43

DAFTAR TABEL

Tabel 1. Persamaan garis pada bidang datar reflektor ... 14

Tabel 2. Tabulasi pengukuran pada kondisi kuasi steady state dan

unsteady state ………... 24

Tabel 3. Hasil percobaan lama pemasakan air ………... 31 Tabel 4. Hasil simulasi lama pemasakan dan suhu air pada beberapa nilai C

iii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. Perkembangan penelitian pemasak surya tipe box ... 6

Gambar 2. Pemantulan sinar surya pada reflektor oven surya ... 11

Gambar 3. Skema aliran energi pada oven surya ... 12

Gambar 4. Asumsi sudut datang surya pada reflektor ... 13

Gambar 5. Geometri dalam bagian oven surya ... 14

Gambar 6. Bentuk geometri reflektor; (a) Sisi atas (U1, B1, S1, T1), (b) Pojok atas (U1a, U1b, S1a, S1b), (c) Sisi bawah (U2, B2, S2, T2), dan (d) Pojok bawah (U2a, U2b, S2a, S2b) ... 15

Gambar 7. Skema dan aliran energi dalam oven surya ... 16

Gambar 8. Penentuan node pada koordinat Cartesian 2D ... 18

Gambar 9. Penempatan node koordinat Cartesian 3D ... 19

Gambar 10. Titik pengukuran pada oven surya; (a) tampak isometri, (b) penutup transparan, (c) dinding dalam tampak kiri, (d) dinding dalam tampak kanan, (e) dinding dalam tampak depan, (f) dinding dalam tampak belakang, dan (g) irisan tengah yang sejajar dengan tampak depan ... 25

Gambar 11. Diagram alir penelitian ………... 26

Gambar 12. Letak titik fokus oven surya ... 27

Gambar 13. Sudut pantul sinar surya tiap bagian reflektor (perspektif horisontal pada tiap bagian reflektor) (Percobaan 13 April 2007) .. 28

Gambar 14. Letak titik pengukuran suhu pada ruang oven ... 28

Gambar 15. Distribusi suhu pada dinding berdasarkan titik pengukuran suhu .. 29

Gambar 16. Distribusi suhu pada potongan tengah horisontal berdasarkan titik pengukuran suhu ... 29

Gambar 17. Distribusi suhu pada potongan tengah vertikal berdasarkan titik pengukuran suhu ………. 30

Gambar 18. Distribusi suhu pada potongan tengah vertikal berdasarkan titik pengukuran suhu ... 30

Gambar 19. Perubahan suhu air dan iradiasi surya ... 31

Gambar 20. Perubahan suhu air pada beberapa nilai concentration ratio ... 32

dengan suhu maksimum 100oC ... 32

Gambar 22. Perubahan suhu air pada beberapa nilai C dengan rata-rata iradiasi surya 335.6 W/m2 ... 33 Gambar 23. Perubahan suhu node ruang oven (tanpa reflektor) pada iradiasi

konstan artificial solar irradiation sebesar 928.57 W/m2 ... 34 Gambar 24. Perubahan suhu node ruang oven (dengan reflektor) pada iradiasi

konstan artificial solar irradiation sebesar 928.57 W/m2 ... 34 Gambar 25. Distribusi suhu udara pada lantai ruang oven ... 35 Gambar 26. Pendugaan perubahan suhu dalam ruang oven dengan pemanasan

konstan pada kondisi kuasi steady state ... 35 Gambar 27. Bentuk mesh untuk pengukuran suhu pada ruang oven; (a) tampak

atas, (b) tampak isometri, (c) tampak bawah, dan (d) tampak samping ... 36 Gambar 28. Proses iterasi dengan metode finite volume dengan algoritma

SIMPLE pada ruang oven surya ... 38 Gambar 29. Distribusi suhu udara pada ruang oven; (a) seluruh bagian ruang

oven, (b) dinding dan lantai, (c) garis potong sumbu x dan y, dan (d) bagian transparan ... 38 Gambar 30. Distribusi suhu udara pada ruang oven; (a) seluruh bagian ruang

oven, (b) dinding dan lantai, (c) garis potong sumbu x dan y, dan (d) bagian transparan ... 39 Gambar 31. Perubahan suhu pada titik pengukuran oven surya pada kondisi

unsteady state ... 40

Gambar 32. Pendugaan perubahan suhu ruang oven To pada kondisi unsteady

State ………. 40

Gambar 33. Pendugaan perubahan To sepanjang waktu pada kondisi unsteady

State ………. 41

v

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Oven surya ... 48 Lampiran 2. Desain oven surya ………... 49 Lampiran 3. Posisi bagian reflektor (2D; dua dimensi) ... 51

Lampiran 4. Penentuan luasan relektor karena pengaruh posisi matahari ... 52

DAFTAR SIMBOL

A. LATIN

Simbol Keterangan Satuan

C Concentration ratio tak berdimensi

A luas Permukaan m2

U koefisien pindah panas keseluruhan W/m2K

h koefisien pindah panas konveksi W/m2K

Cp panas jenis kJ/kgK

I iradiasi surya kW/m2

T suhu oC

m massa kg

t waktu detik

x, y, z arah pada koordinat cartesian tak berdimensi

u aliran dalam sumbu x tak berdimensi

v aliran dalam sumbu y tak berdimensi

w aliran dalam sumbu z tak berdimensi

Z konstanta tak berdimensi

B. YUNANI

Simbol Keterangan Satuan

ρ reflektivitas tak berdimensi

Θ arah jatuh sinar surya o

α absorbsivitas tak berdimensi

τ transmisivitas tak berdimensi

C. SUBSKRIP

Simbol Keterangan Simbol Keterangan

u utensil 1, 2,..., 7 urutan dalam konstanta Z

ut utensil atas i urutan ke ... (anggota bilangan asli)

us utensil samping d dinding

o ruang oven t penutup transparan

a lingkungan

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Biro Pusat Statistik (2000) di dalam Suharta (2004) menjelaskan bahwa kebutuhan bahan bakar untuk memasak di Indonesia sebagai berikut: kayu bakar (52.54%), minyak tanah (38.23%), gas/LPG (7.53%), listrik (1.38%), batubara (0.34%), dan lainnya (0.15%). Penggunaan bahan bakar berupa kayu yang cukup tinggi, dikhawatirkan akan mengganggu kelestarian lingkungan akibat berkurangnya areal kayu (hijauan), juga adanya asap yang ditimbulkan. Penggunaan bahan bakar lainnya, seperti minyak tanah, gas/LPG, listrik, cukup tinggi harganya. Meskipun batubara secara ekonomis masih murah, bahan bakar ini juga menimbulkan asap yang cukup tinggi.

Diketahui pula bahwa potensi minyak di Indonesia sudah menipis. Indonesia pada akhir tahun 2005 telah menjadi negara berstatus "net oil importer country". Sedangkan, penggunaan sumber-sumber energi untuk memasak selain kayu bakar dan minyak relatif sedikit. Mengingat tingginya energi yang dibutuhkan dalam proses ini dan semakin terbatasnya bahan bakar minyak serta upaya kelestarian lingkungan yang giat dilakukan akhir-akhir ini, maka usaha diversifikasi energi yang ekonomis dan ramah lingkungan untuk memasak perlu terus diteliti dan dikembangkan.

Indonesia yang akan memasuki era industrialisasi jelas akan memerlukan tambahan energi dalam jumlah yang relatif besar dan hal ini sudah barang tentu akan berdampak pula terhadap lingkungan. Selain itu, diversifikasi energi merupakan salah satu jawaban untuk mencukupi kebutuhan energi yang terus meningkat, akan tetapi masalah penyelamatan lingkungan juga harus diperhatikan. Dengan adanya perubahan eksternal yang terjadi saat ini, yaitu standar perlindungan lingkungan yang semakin tinggi, persaingan dalam perolehan

APEC 2020, dan Protokol Kyoto, tentunya akan mempengaruhi paradigma penyediaan dan pemanfaatan energi pada masa kini dan akan datang.

Salah satu alternatif diversifikasi energi untuk mengatasi masalah tersebut adalah energi surya. Sumber energi terbarukan ini mempunyai keuntungan, yaitu ramah lingkungan dan ketersediaannya melimpah. Juga, sebagai negara tropis Indonesia mempunyai potensi energi surya cukup melimpah dengan radiasi harian matahari rata-rata 4.8-5.2 kWh/m2 (Departemen ESDM RI, 2003). Namun demikian, energi ini mempunyai kelemahan, yaitu sifatnya yang tidak kontinyu dan intensitasnya yang bervariasi menurut lokasi (letak lintang) dan waktu.

Pemanfaatan energi surya untuk memasak telah dilakukan di beberapa negara dalam beberapa tipe (Kundapur, 1999). Di Indonesia, penelitian dan pengembangan pemasak surya telah dilakukan oleh Minto (1999) berupa pemasak surya tipe konsentrator, Ropiudin (2001) melakukan analisis energi pada oven surya, dan Suharta (2004) melakukan penelitian terhadap pemasak surya tipe box reflektor tunggal untuk memasak beberapa jenis makanan di beberapa wilayah di Indonesia. Hal ini mengindikasikan bahwa energi surya dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi yang baik untuk memasak di Indonesia.

Selain itu, Suharta (2004) membuat model analitik dari regresi data yang diperoleh. Model analitik tidak dapat digunakan untuk menduga suhu ruang oven. Kelemahan model yang dibuat terlihat apabila iradiasi surya bernilai nol maka suhu ruang oven akan bernilai negatif. Hal ini tidak sesuai dengan kaidah Hukun I Termodinamika, apabila iradiasi surya bernilai nol (artinya tidak ada masukan energi), maka suhu ruang oven akan sama dengan suhu lingkungan. Melihat kondisi tersebut, perlu dilakukan perbaikan menggunakan model matematika berdasarkan keseimbangan energi pada ruang oven.

3

Dynamics (CFD). Pemodelan dan simulasi yang dilakukan dapat dijadikan dasar untuk mendapatkan disain yang optimal.

Penggunaan teknik CFD berkembang seiring dengan perkembangan komputer yang memerlukan kecepatan dan memori tinggi. Fletcher (1991) menjelaskan bahwa CFD merupakan cabang dari dinamika fluida yang menyediakan biaya yang murah untuk simulasi aliran riil. Selain itu, juga menawarkan pengujian teoritis untuk kondisi-kondisi yang tak tersedia secara eksperimen. CFD juga menyediakan kenyamanan dalam mengeliminir kondisi-kondisi spesifik pada pembuatan persamaan atur.

Tujuan penelitian ini adalah: (1) untuk mendapatkan model matematika guna menduga perubahan suhu pada oven surya, (2) untuk menduga pola aliran dan distribusi suhu pada oven surya dengan pendekatan finite volume

menggunakan teknik Computational Fluid Dynamics (CFD), dan (3) untuk mendapatkan disain yang efisien berdasarkan pola aliran dan distribusi suhu yang seragam pada oven surya.

Manfaat

TINJAUAN PUSTAKA

Sumber dan Kebutuhan Energi untuk Memasak

Berdasarkan data dari BPS (2000) di dalam Suharta (2004) dijelaskan bahwa kebanyakan penduduk pedesaan berpenghasilan rendah menggunakan kayu bakar untuk memasak yang dikumpulkan di sekitar tempat tinggalnya. Jumlah penduduk desa di Indonesia sekitar 51.203 juta dan 52.54%-nya menggunakan kayu bakar untuk memasak.

Pada tahun 1998, jumlah penduduk miskin mencapai 80 juta (39.6%) diakibatkan karena penurunan pendapatan selama krisis moneter tahun 1997 (Muluck, 1998 di dalam Suharta, 2004). Ditambahkan oleh Suharta, et al. (1997) bahwa 27.9 juta penduduk Indonesia menggunakan kayu bakar untuk memasak. Sebagian besar penduduk desa menggunakan kayu bakar yang dikumpulkan dari alam sekitar tanpa membeli. Jika tiap keluarga memasak dua kali sehari dan minimal membutuhkan 1 kg kayu bakar tiap kali memasak, maka jumlah kebutuhan kayu bakar per tahun dapat mencapai 20.37 milyar kg. Jika satu pohon muda berumur 4 tahun menghasilkan 500 kg kayu kering, maka untuk memenuhi kebutuhan energi untuk memasak dibutuhkan 40.74 juta pohon muda yang harus ditebang tiap tahunnya. Kamaruddin (1998) menambahkan bahwa kebutuhan energi biomassa untuk memasak pada tahun 1998 sebesar 232 MBOE atau sebesar 40% konsumsi total nasional.

Tipe Pemasak Surya

5

bangunan. Energi dipindahkan menggunakan fluida. Tipe box memiliki prinsip kerja sebagai berikut, energi surya dikonsentrasikan ke dalam sebuah kotak (box) yang diletakkan di bawah reflektor yang memungkinkan semua sinar matahari yang mengenai reflektor dipantulkan ke dalam box.

Pemasak surya tipe box dibagi dalam dua bagian, yaitu: tanpa reflektor dan dengan reflektor (berjumlah satu atau delapan; mengelilingi box pada bagian atas) yang berfungsi untuk meningkatkan fluks panas. Seringkali reflektor berfungsi sebagai penutup luar. Menurut Nahar (1992), oven surya memiliki reflektor yang mengelilingi ruang oven pada bagian atasnya. Oven surya memiliki nilai rasio konsentrasi (concentration ratio) tertentu.

Walton, et al. (1977) menjelaskan bahwa tipe box tanpa reflektor pertama kali diperkenalkan oleh Saussure (1740-1799). Ruang masak diinsulasi dengan kaca pada bagian atas sehingga radiasi surya dapat tembus dan memanaskan ruang pemasak. Meinel dan Meinel (1977) melaporkan bahwa pemasak surya tipe box yang dikubur pada pasir dan diberi penutup ganda berupa kaca dapat mencapai suhu yang cukup stabil sekitar 116oC. Vaughan (1979) membuat pemasak tipe box dengan meletakkan box logam di bawah tanah. Kundapur (1999) menguji pemasak surya tipe box yang terbuat dari lumpur di atas tanah. Dan tambahkan panci alumunium sebagai tempat masak. Ratnaswamy, et al. (1988) mendisain box persegi menggunakan kaca. Lem silikon digunakan untuk membuat konstruksi pemasak surya. Suhu dalam box dapat mencapai 110oC. Muzumdar (1980) menggunakan karton berkerut untuk box bagian dalam seperti halnya kotak bagian luar. Sharm dan Phillip (1992) menggunakan kardus untuk pemasak tipe box dan menumpuk kertas bekas untuk insulasi. Ropiudin (2001) melakukan analisis kinerja oven surya. Dengan nisbah geometri sebesar 7.9 mampu memanaskan suhu ruang oven sebesar 146.3oC pada kondisi oven surya diam dan 158.0oC pada kondisi oven surya diputar mengikuti arah matahari.

pemasakan lama. Kelebihan: (1) energi yang tersedia berlimpah, (2) mencegah kerusakan hutan, polusi udara, dan menghemat penggunaan energi konvensional.

Perkembangan Penelitian Pemasak Surya

Penelitian mengenai pemasak surya telah dilakukan oleh sejak dulu. Referensi pertama, menyebutkan bahwa penelitian pemasak surya dimulai oleh Nicholas-de-saussure (1740-1799). Penelitian mengenai pemasak surya tipe box dan kajian-kajian yang berkenaan dengan aspek pemasak surya semakin giat dilakukan.

Gambar 1. Perkembangan penelitian pemasak surya tipe box

Kegiatan penelitian pemasak surya tipe box telah dilakukan beberapa peneliti, yaitu: Adel, et al. (1986) melakukan pendugaan terhadap performansi pemasak surya dan membandingkannya dengan pemasakan dalam bara api. Shrestha (1987) melakukan modifikasi terhadap pemasak surya tipe box. Nahar (1988) menguji pemanas air tenaga surya untuk dijadikan pemasak surya. Nandwani (1988) melakukan percobaan terhadap pemasak surya tipe box sederhana. Kammen (1990) melakukan studi perbandingan terhadap pemasak surya tipe box di Nicaragua. Pejack (1991) membuat model matematika untuk mengetahui performansi pemasak surya tipe box. Al-Saad dan Jubran (1991) menguji performansi pemasak surya berbiaya murah yang terbuat dari tanah liat. Nahar (1992) melakukan studi performansi terhadap pemasak surya tipe box berukuran besar. Balzar, et al. (1996) melakukan penelitian pemasak surya menggunakan kolektor pipa vakum yang diintegrasikan dengan pipa panas. Nark dan Tidrkmen (1996) membuat pemodelan pada pemasak tipe box. Hararsingh

1986

1986

1799 1799

1987

1

987 988_{11988 19891989 19901990 1}991_{1991 1992}992_{1 1993}3_{199 1}994_{1994 1995199}5 ₁₉₉₆₁996 997_{19971 1}998_{1998 1}999_{1999 20002}000 ₂001_{2001 20022002 2}003₂₀₀₃

200

4

2004 202005

05

2006

2006 20072007

1984

1984 18851885 19861986 1799

1799

1987

1

987 988_{11988 19891989 19901990 1}991_{1991 1992}992_{1 1993}3_{199 1}994_{1994 1995199}5 ₁₉₉₆₁996 997_{19971 1}998_{1998 1}999_{1999 20002}000 ₂001_{2001 20022002 2}003₂₀₀₃

200

4

2004 202005

05

2006

2006 20072007

1984

7

dan Dgom (1996) melakukan penelitian mengenai konveksi alami pada pemasak surya plat datar dengan penyimpanan panas singkat. Hussain dan Khan (1996) melakukan studi terhadap pemasak surya berbiaya murah dengan celah datar pada bidang miring. Nahar, et al. (1996) membuat pemasak surya tipe box untuk makanan ternak dan melakukan modifikasi terhadap model yang telah dibuat sebelumnya. Kumar, et al. (1996) melakukan analisis kelayakan pemasak surya tipe box di India. Mullick, et al. (1996) melakukan uji performansi pemasak surya tipe box yang direpresentasikan dengan dua variabel, yaitu F1 dan F2. Nandwani

evaluasi terhadap unit penyimpan panas laten untuk pemasakan sore hari pada pemasak surya. Algifri dan AL-Towaie (2001) melakukan kajian mengenai dampak orientasi efisiensi pada pemasak surya pengaruhnya terhadap kinerja. Suharta (2001) melakukan perbandingan terhadap tiga jenis disain pemasak surya tipe box. Nahar (2001) melakukan disain, pengembangan, dan pengujian terhadap pemasak surya tipe box reflektor ganda dengan bahan insulasi transparan. Narasimharao dan Subramanyam (2003) melakukan penelitian pada alat masak yang mudah dibawa bepergian. Buddhia, et al. (2003) melakukan evaluasi terhadap performansi termal pada unit penyimpan panas laten untuk pemasakan sore hari pada pemasak surya tipe box tiga reflektor. Nahar (2003) menghitung performansi dan menguji pemasak surya tipe box. Ekechukwu dan Ugwuoke (2003) membuat disain dan menguji performansi reflektor datar pada pemasak surya tipe box. Kumar (2004) melakukan penentuan koefisien pindah panas konveksi (h) pada oven surya tanpa reflektor dengan penutup transparan ganda dan juga mencari faktor kehilangan panas overall (U) pada oven surya. Variabel ini merupakan memberikan kontribusi yang cukup besar terhadap kehilangan panas pada oven surya. El-Sebaii dan Ibrahim (2005) melakukan percobaan pada pemasak surya tipe box menggunakan prosedur standar “Cooking Power”. Negia dan Purohit (2005) melakukan pengujian terhadap pemasak surya tipe box dengan penggerak konsentrator “non-tracking”. Kumar (2005) melakukan estimasi parameter disain terhadap performasi termal pemasak surya tipe box. Nandwani (2006) menjelaskan tentang penggunaan energi surya di Costa Rica, diantaranya untuk memasak. Nandwani (2007) melakukan disain, konstruksi, dan studi terhadap unit pemasak surya hibrid pada kondisi iklim di Costa Rica. Disain terbaik ditunjukkan dengan adanya solar tracker dan juga hibrid dengan energi listrik.

Pemodelan Sistem Termal

9

secara luas dapat didefinisikan sebagai perumusan atau persamaan yang mengekspresikan feature khusus dari sistem atau proses fisik.

Ditambahkan oleh Suryanarayana dan Arici (2004) untuk keberhasilan pemodelan diperlukan persamaan geometri, persamaan kinematika (rasio dari kecepatan dan percepatan antara item dan model), dan persamaan yang relevan tanpa variabel.

Ropiudin, et al. (2005 dan 2006) mengembangkan model matematik dengan pendekatan sistem lump pada oven surya pada kondisi kuasi steady state dan

unsteady state. Model dibuat untuk menduga suhu ruang oven surya bila nilai iradiasi surya dan suhu lingkungan diketahui. Model matematik yang dihasilkan berbentuk linear pada kondisi kuasi steady state. Model yang dibuat cukup baik, dimana bila iradiasi surya nol, maka suhu ruang oven sama dengan suhu lingkungan. Hal ini sesuai dengan kaidah Hukum Termodinamika II.

Computational Fluid Dynamics (CFD)

Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah suatu teknik analisa dari suatu sistem meliputi aliran fluida, perpindahan panas, dan fenomena yang terlibat di dalamnya, seperti reaksi kimia dengan bantuan komputer berdasarkan simulasi (Versteeg dan Malalasekera, 1995). CFD telah dikenal sejak tahun 1960-an untuk mendisain mesin jet dan aircraft. Perkembangan selanjutnya, teknik ini digunakan untuk mendisain mesin pembakaran internal, tabung pembakaran dalam turbin gas dan tungku, kendaraan bermotor, dan aliran udara yang menyelimuti casing

mobil.

CFD terdiri atas tiga komponen utama, yaitu: pre-processor, solver, dan

post-processor. Pre-processor berupa input yang harus diberikan berupa bentuk geometri, pembentukan grid (mesh), penentuan sifat termofisik, dan kondisi batas.

Solver adalah pemecahan model aliran fluida (model persamaan konservasi

PENDEKATAN TEORITIS

Prinsip Kerja Oven Surya

Prinsip kerja oven surya sebagai berikut: Iradiasi surya akan masuk ke

dalam ruang oven dengan dua cara, yaitu secara langsung atau dipantulkan

melalui reflektor yang mengelilingi bagian atas ruang oven. Iradiasi surya akan

masuk ke dalam ruang oven setelah melewati penutup transparan ruang oven.

Iradiasi akan diserap oleh makanan yang dimasak, dinding, dan lantai oven.

Energi yang diserap oleh dinding dan lantai oven selanjutnya dipindahkan ke

ruang oven atau ke bahan pangan dengan cara konveksi ataupun radiasi. Beberapa

energi termal akan keluar melalui dinding, lantai, dan penutup transparan. Energi

yang hilang terbesar pada penutup transparan, selain terdapat lubang untuk

pengeluaran uap juga ketebalannya penutup transparan sangat tipis.

Secara skematis, aliran energi pada oven surya sebagai berikut:

13

Fokus Oven Surya Berdasarkan Pendekatan Geometri

Ropiudin (2001) membuat persamaan geometri untuk menentukan arah

jatuhnya sinar surya. Persamaan tersebut berfungsi untuk menetapkan titik fokus

guna menempatkan lokasi alat masak berada. Selisih antara sudut datang

dikurangi (90-β), apabila bernilai positif berarti dipantulkan ke dalam ruang oven

dan apabila bernilai negatif atau sama dengan nol berarti dipantulkan keluar.

Permukaan reflektor diasumsikan datar, sehingga sinar yang mengenai reflektor

akan dipantulkan sesuai dengan HK. Pemantulan Snellius.

1. Reflektor atas (sisi dan pojok)

Keterangan:

1. Kemiringan untuk reflektor sisi atas = 70o , sehingga sinar surya yang masuk adalah sinar surya dengan sudut datang 20 s.d. 90o

.

2. Kemirinagn untuk reflektor pojok atas = 80o , sehingga sinar surya yang masuk adalah sinar surya dengan sudut datang 10 s.d. 90o_.

2a. Reflektor sisi bawah

Keterangan:

Kemiringan untuk reflektor sisi atas = 70o

, sisi bawah = 55o

, sehingga sinar surya yang masuk adalah sinar surya dengan sudut datang 35 s.d. 75o

.

2b. Reflektor pojok bawah

Keterangan:

Kemiringan untuk reflektor sisi atas = 80o

, sisi bawah = 65o

, sehingga sinar surya yang masuk adalah sinar surya dengan sudut datang 25 s.d. 75o

.

Persamaan sinar datang surya:

A. Sebelum pukul 12:00 WIB (merupakan garis yang mewakili sinar surya bergradien positif)

ya = -cotθzx + 38.7 (1)

B. Setelah pukul 12:00 WIB (merupakan garis yang mewakili sinar surya bergradien negatif)

ya = (38.7/(60.9-38.7*tanθz)) x – ((38.7*60.9)/(60.9-38.7*tanθz)) + 38.7 (2)

Gambar 5. Geometri dalam bagian oven surya

Tabel 1. Persamaan garis pada bidang datar reflektor

No. Persamaan Fungsi Pembatas

1 y1 = -2.09 x + 38.7 0 x 11.0 2 y2 = -1.32 x + 30.28 11.0 x 23.0 3 y3 = 1.32 x – 49.4 37.9 x 49.9 4 y4 = 2.09 x – 88.7 51.1 x 60.9

5 y5 = 38.7 0 x 60.9

6 y6 = 18.2 9.8 x 23.0; 37.9 x 51.1

7 y7 = 15.8 23.0 x 37.9

8 y8 = 2.8 20.8 x 23.0; 37.9 x 40.1

9 y9 = 0 23.0 x 37.9

10 x10 = 23.0 0 y 38.7 11 x11 = 17.9 0 y 38.7

Beberapa batasan guna menghitung luasan reflektor yang terkena sinar matahari

disajikan pada Lampiran 4.

≤ ≤

≤

≤ ≤ ≤

≤ ≤ ≤

≤ ≤ ≤

≤ ≤ ≤

≤ ≤

≤

≤ ≤

≤

≤ ≤

15

Garis-garis yang mewakili untuk pembuatan model:

y1 = Garis yang mewakili badan reflektor sisi atas y2 = Garis yang mewakili badan reflektor sisi bawah y3 = Garis yang mewakili badan reflektor sisi bawah y4 = Garis yang mewakili badan reflektor sisi atas y5 = Garis bantu horisontal pada luasan atas

y6 = Garis yang mewakili panjang tepi bawah reflektor sisi atas atau tepi atas reflektor sisi bawah

y7 = Garis yang mewakili panjang tepi bawah reflektor sisi atas atau tepi atas reflektor sisi bawah

y8 = Garis yang mewakili tepi bawah reflektor pojok bawah y9 = Garis yang mewakili plastik transparan

x10 = Garis yang mewakili panjang badan reflektor sisi atas dan sisi bawah x11 = Garis yang mewakili panjang badan reflektor sisi atas dan sisi bawah

7

8

9

(a) (b) (c) (d)

Keterangan:

1. Tepi atas reflektor sisi atas 2. Badan reflektor sisi atas 3. Tepi bawah reflektor sisi atas 4. Tepi atas reflektor pojok atas 5. Badan reflektor pojok atas 6. Tepi bawah reflektor pojok atas

7. Tepi atas reflektor sisi bawah 8. Badan reflektor sisi bawah 9. Tepi bawah reflektor sisi bawah 10. Tepi atas reflektor pojok atas 11. Badan reflektor pojok bawah 12. Tepi bawah reflektor pojok bawah

Pemodelan Matematika dengan Pendekatan Lump

Gambar 7. Skema dan aliran energi dalam oven surya

Ropiudin et al. (2005 dan 2006) memodelkan keseimbangan energi pada

oven surya pada beberapa bagian dalam oven surya sebagai berikut:

Keseimbangan energi dalam utensil dinyatakan sebagai:

(

)

ut

( )

w ut u w u us

(

u o

)

u u

u C A I t h A T T h A T T

dt dT Cp

m = 1−ρ ( ) τα − ( − )− − (3)

Keseimbangan energipada air yang dimasak sebagai berikut:

(

u w

)

u us

(

w o

)

us u w w

w h A T T U A T T

dt dT Cp

m = − − − (4)

Adapun keseimbangan energi pada ruang oven dinyatakan sebagai:

(

_{u o}

)

_{o o}( _{o a})

us u o a

a h A T T U A T T

dt dT Cp

m = − − − (5)

Keseimbangan energi pada oven surya dibuat berdasarkan beberapa asumsi

berikut: (1) kapasitas panas penutup transparan diabaikan karena cukup kecil bila

dibandingkan dengan fluida yang dimasak, (2) suhu udara di sekitar reflektor (To2)

bernilai sama dengan suhu lingkungan oven surya (To1), dan (3) kehilangan panas

pada bagian dasar ruang oven diabaikan.

Pada kondisi kuasi steady state diperoleh persamaan akhir:

a

o I T

Z Z

Z Z

T = +

7 2

1 6

17

Sedangkan pada kondisi unsteady state diperoleh persamaan akhir sebagai

berikut:

( )

(

_{ui ui}

)

_ai

(

)

_oi

i

o T T Z tT Z t T

Z Z t I Z t Z Z

T ₊ = Δ − ₊₁ − + ₄Δ + − ₄Δ

2 3

2 1 3

1 1 (7)

dimana:

(

) ( )

u u ut Cp m A C

Z₁= 1−ρ τα ,

u u ut w Cp m A h

Z₂ =

u u us u Cp m A h

Z₃ =

w w us u w w us u Cp m A U Z Cp m A h

Z₄ = ₅ = (8)

a a o o a a us u Cp m A U Z Cp m A h

Z₆ = ₇ =

Nilai h_udicari dengan dengan menentukan bilangan biot, prandtl, grashof,

rayleigh, dan Nusselt (Lampiran 5). Sedangkan U dicari berdasarkan gabungan

pindah panas yang terjadi dalam ruang oven ke dinding dalam (konveksi), dalam

dinding (konduksi), dinding luar dengan lingkungan (konveksi), ruang oven ke

transparan (konveksi), dan transparan ke lingkungan (konveksi).

Pemodelan Matematika dengan Pendekatan Spasial

Metode finite volume menggunakan bentuk integral pada persamaan

keseimbangan. Disini didefinisikan kontrol volume terhadap batas menggunakan

beberapa node. Bentuk integral pada persamaan keseimbangan yang digunakan

Gambar 8. Penentuan node pada koordinat Cartesian 2D

Gambar 9. Penempatan node koordinat Cartesian 3D

Kode CFD

Pemecahan simulasi menggunakan software CFD, yaitu: Fluent 6.11 dan

pembentukan geometri alat menggunakan software Gambit 2.2.302. Kode CFD

mengandung tiga elemen utama, yaitu: pre-processor, solver, dan post-processor.

1. Pre-processor

1

Fluent inc.

2

Fluent inc.

Edges

Shared Opposing Shared Vertex

Shared Edge Shared Face

Faces Shared Opposing

Vertices Shared Opposing x

z y

Bagian muka Bagian muka

berlawanan

Bagian pojok

Bagian pojok berlawanan

Bagian puncak Bagian puncak

19

Pre-processor terdiri atas input masalah aliran ke dalam program CFD

dengan memakai interface yang memudahkan operator dan transformasi input

berikutnya ke dalam bentuk yang sesuai dengan pemecahan oleh solver. Beberapa

hal yang dilakukan pada tahap ini, yaitu:

a. Mendefinisikan geometri daerah yang dikehendaki: perhitungan domain.

b. Pembentukan grid pada setiap domain ke dalam jumlah yang lebih kecil dan

subdomain yang tidak saling tumpang tindih: berupa grid/mesh pada sel atau

volume kontrol.

c. Pemilihan fenomena kimia dan fisika yang dibutuhkan untuk dimodelkan.

d. Menentukan sifat-sifat fluida (konduktivitas, viskositas, massa jenis, panas

jenis, dsb).

e. Menentukan kondisi batas yang sesuai pada sel yang merupakan batas domain.

Pendefinisian boundary condition dan initial condition berdasarkan bentuk

saluran dalam ruang oven surya. Oven surya digambarkan sebagai balok dalam

koordinat Cartesian. Kondisi batas dinyatakan sebagai berikut:

0

=

d

v dan vt=0

Pemecahan masalah aliran (kecepatan, tekanan, suhu, dan lainnya)

didefinisikan pada titik (nodal) di dalam tiga sel. Ketepatan CFD dibentuk oleh

sejumlah sel di dalam grid. Secara umum semakin besar jumlah sel, ketelitian

hasil pemecahan semakin baik. Mesh yang optimal tidak selalu seragam, semakin

halus pada bagian yang memiliki variasi cukup besar dan semakin kasar untuk

bagian yang relatif tidak banyak perubahan.

2. Solver

Proses solver pada Fluent 6.1 menggunakan metode numerik: finite volume.

Metode finite volume dikembangkan dari finite difference khusus. Algoritma

numerik metode ini terdiri atas tiga tahap, yaitu:

a. Tahap I; aproksimasi variabel aliran yang tidak diketahui menggunakan fungsi

sederhana.

b. Tahap II; diskretisasi dengan mensubstitusi hasil aproksimasi ke dalam

persamaan aliran dan manipulasi matematik berikutnya.

Persamaan atur aliran fluida dinyatakan dalam hukum kekekalan fisika

dalam bentuk matematis, sebagai berikut:

a. Massa fluida kekal.

b. Laju perubahan momentum sama dengan resultansi gaya pada partikel fluida

(Hukum II Newton).

c. Laju perubahan energi sama dengan resultansi laju panas yang ditambahkan

dan laju kerja yang diberikan pada partikel pada partikel fluida (Hukum I

Termodinamika).

Berikut dijelaskan persamaan matematik yang digunakan oleh ketiganya:

a. Kekekalan massa dalam tiga dimensi: kuasi steady state

Keseimbangan massa untuk elemen fluida dituliskan secara matematik sebagai

persamaan kontinuitas:

( )

( )

( )

0 z w y v x u ₌ ∂ ρ ∂ + ∂ ρ ∂ + ∂ ρ ∂ (10)

b. Persamaan momentum dalam tiga dimensi: kuasi steady state

Persamaan momentum merupakan persamaan Navier-Stokes dalam bentuk

sesuai dengan metode finite volume:

Momentum x: Mx 2 2 2 2 2 2 S z u y u x u x p z u w y u v x u

u _⎥ +

⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ μ + ∂ ∂ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂

ρ (11)

Momentum y: My 2 2 2 2 2 2 S z v y v x v y p z v w y v v x v

u _⎥ +

⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ μ + ∂ ∂ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂

ρ (12)

Momentum z: Mz 2 2 2 2 2 2 S z w y w x w z p z w w y w v x w

u _⎥ +

⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ μ + ∂ ∂ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂

ρ (13)

c. Persamaan energi dalam tiga dimensi: kuasi steady state

Persamaan energi diturunkan berdasarkan Hukum I Termodinamika yang

menyatakan bahwa laju perubahan energi partikel sama dengan laju

penambahan panas ke dalam partikel fluida ditambahkan dengan jalu kerja

yang diberikan pada partikel. Secara matematis, persamaan energi dalam tiga

21

2 2 2

T T T T T T

ρ u + v + w = k u + v + w

x y z x y z

⎡ ⎤

⎡ ∂ ∂ ∂ ⎤ ∂ ∂ ∂

⎢ ⎥

⎢ _{∂ ∂ ∂} ⎥ _{∂ ∂ ∂}

⎣ ⎦ ⎣ ⎦ (14)

d. Persamaan state

Kecepatan fluida selalu mencari keseimbangan secara termodinamika, kecuali

adanya gangguan. Jika digunakan variabel ρ dan p, maka persamaan state

untuk p dan i adalah:

P = p(ρ, T) dan i = i(ρ, T)

untuk gas ideal: p = ρ R T dan i = C v T

3. Post-processor

Seluruh hasil yang dilakukan pada tahap sebelumnya akan ditampilkan

dalam post-processor yang meliputi: tampilan geometri domain dan grid, plot

vektor, plot permukaan 2D dan 3D, tracking partikel, manipulasi pandangan, dan

Waktu dan Tempat

Percobaan dilaksanakan selama lima bulan, yaitu: April sampai September 2006. Adapun tempat percobaan yaitu: Lab. Surya, Bagian Energi dan Elektrifikasi Pertanian, Departemen Teknik Pertanian, IPB Bogor.

Bahan dan Alat

Bahan yang digunakan yaitu: air. Adapun peralatan yang digunakan meliputi: oven surya, piranometer model MSA-42A (ketelitian 0.001 mV), Hibrid recorder model HR-2500E, termokopel jenis CC tipe T (ketelitian 0.1oC), timbangan digital model AND tipe EK-1200A (ketelitian 0.01 g), anemometer model AM-4204HA, dan Jangka sorong.

Prosedur Percobaan

Percobaan dilakukan dalam tiga tahap berikut: (1) pengukuran pada kondisi kuasi steady state, (2) pengukuran pada kondisi unsteady state, dan (3) validasi model dan simulasi.

A. Pengukuran pada kondisi Unsteady State

Pengukuran dilakukan di ruang terbuka dengan sumber energi iradiasi surya. Iradiasi surya yang diterima berubah tiap waktu (unsteady). Variabel pengukuran meliputi: iradiasi surya, suhu, dan kecepatan udara.

Pengukuran Iradiasi Surya

23

Pengukuran Suhu

Pengukuran suhu dilakukan dengan menggunakan termokopel CC tipe T yang dihubungkan dengan hibrid recorder. Titik pengukuran suhu sebagai berikut: (a) suhu dalam ruang oven, dibagi dalam mesh volume yang terdiri atas 27 titik pengukuran, (b) suhu dinding luar ruang oven surya yang terdiri atas satu titik pengukuran, dan (c) suhu lingkungan yang terdiri atas satu titik pengukuran.

Pengukuran dilakukan dalam keadaan ruang oven diberi beban pemasakan (air) dan tanpa beban pemasakan. Pada pengukuran dengan beban pemasakan, jumlah mesh volume bagian tengah digunakan untuk mengukur suhu air dan wadah air. Wadah air yang digunakan untuk memasak dibiarkan terbuka.

Pengukuran Kecepatan Udara

Kecepatan udara yang diukur adalah kecepatan udara yang keluar dari ruang oven pada penutup transparan dan di sekitar reflektor. Pengukuran dilakukan di atas lubang penutup transparan. Pengukuran dilakukan menggunakan anemometer tiap 5 menit.

B. Pengukuran pada kondisi Kuasi Steady State

Pengukuran dilakukan di ruangan menggunakan simulasi iradiasi lampu sebagai sumber energi. Iradiasi dibuat konstan (steady) untuk lima nilai iradiasi. Variabel pengukuran meliputi: iradiasi lampu, suhu, dan kecepatan udara.

Pengukuran Iradiasi Buatan

Pengukuran dilakukan menggunakan pyranometer terhadap iradiasi buatan yang diberikan oleh lampu tiap 5 menit selama dua jam untuk tiap-tiap nilai iradiasi. Pengukuran dilakukan bersamaan dengan percobaan pemasakan oven surya.

Pengukuran Suhu

pengukuran, (b) suhu dinding luar ruang oven surya yang terdiri atas satu titik pengukuran, dan (c) suhu lingkungan.

Pengukuran dilakukan dalam keadaan ruang oven dengan beban pemasakan (air) dan tanpa beban pemasakan. Pada pengukuran dengan beban pemasakan, jumlah mesh volume bagian tengah digunakan untuk mengukur air dan wadah air. Wadah air dibiarkan terbuka. Interval pengukuran tiap lima menit selama dua jam untuk tiap-tiap nilai iradiasi.

Pengukuran Kecepatan Udara

Kecepatan udara yang diukur adalah kecepatan udara yang keluar dari ruang oven pada penutup transparan dan di sekitar reflektor. Pengukuran dilakukan di atas lubang penutup transparan. Pengukuran dilakukan menggunakan anemometer tiap 5 menit selama dua jam untuk tiap-tiap nilai iradiasi.

E. Validasi dan Simulasi

Validasi dilakukan terhadap model yang dibuat terhadap hasil pengukuran pada kondisi kuasi steady state dan unsteady state. Hasil pengukuran dan hasil model dibandingkan ke dalam kurva fitting untuk melihat kesesuaian keduanya. Kesesuaian dinyatakan dengan nilai R2.

Tabel 2. Tabulasi pengukuran pada kondisi kuasi steady state dan unsteady state

Pengukuran Kondisi Oven Surya Jenis

Pengukuran Iradiasi Suhu Bahan Reflektor Lubang Transparan

v - - - -

v v - - -

v v - - v

Kuasi steady state

v v - v v

v v - v -

v v - v v

v v - v v

v v - - v

Unsteady state

25

(a)

1 2 3

10 11 12

19 20 21 1 10 19

4

7

13

16

22

25

3

6

9

12

15

18

21

24

27

(b) (c) (d)

1 2 3

4 5 6

7 8 9

19 20 21

24

27

22 23

25 26

10 11 12

13 14 15

16 17 18

[image:49.595.117.510.94.652.2]

(e) (f) (g)

Mulai

Pemodelan

matematika Steady state

Ada beban pemasakan

Ada beban pemasakan

Model matematika untuk sistem termal; lump dan

spasial

Diskretisasi pers. atur dan pemecahannya

dengan CFD

Validasi model

Nilai validasi baik

Simulasi

Pengembangan disain

Selesai

ya tidak

tidak

tidak

tidak

ya

ya ya

ya

tidak

Pengukuran: T oven, I lampu, t pemasakan, v udara

Pengukuran: T oven, I lampu, v udara

Pengukuran: T oven, I surya, t pemasakan, v udara

Pengukuran: T oven, I surya, v udara

Data pengukuran steady state

[image:50.595.117.512.85.549.2]

Data pengukuran unsteady state

27

HASIL DAN PEMBAHASAN

Titik Fokus Letak Pemasakan

Titik fokus pemasakan pada oven surya berdasarkan model yang dibuat

merupakan suatu bidang. Pada posisi oven surya tegak lurus dengan sinar surya,

lokasi titik fokus pada ruang oven dengan ketinggian 33.5 mm dari bawah lantai

dan mendatar pada titik tengah ruang oven. Pemasakan akan optimal apabila

[image:51.595.245.379.267.430.2]

tempat masak ditempatkan pada titik fokus tersebut.

Gambar 12. Letak titik fokus oven surya (tepat pada lantai oven)

Penentuan titik fokus pemasakan dilakukan dengan pendekatan persamaan

matematika terhadap geometri oven surya yang dibuat dalam dua dimensi dengan

menambahkan variabel jarak vertikal dan horisontal. Persamaan matematik yang

dibuat menggambarkan bagaimana sinar surya tersebut masuk ke ruang oven atau

-10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

9:36 10:04 10:33 11:02 11:31 12:00 12:28 12:57 13:26 13:55 14:24 Wak tu (WIB)

S

u

d

u

t (o

)

Out No U1 B1 S1 T1 U1a U1b S1a S1b U2 B2 S2 T2 U2a U2b S2a S2b

Gambar 13. Sudut pantul sinar surya tiap bagian reflektor (perspektif horisontal

pada tiap bagian reflektor) (Percobaan 13 April 2007)

Terlihat pada gambar, semakin mendekati jam 12.00 maka akan semakin

banyak sinar surya yang masuk. Hal ini mengindikasikan bahwa disain oven surya

yang telah ada akan baik menerima seluruh sinar surya apabila ruang oven surya

tegak lurus dengan sinar datang surya.

29

7-8-9

-20 40 60 80 100 120

-70 -50 -30 -10 10 30 50 70 J a ra k ( m m )

16-17-18 -10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-70 -50 -30 -10 10 30 50 70

25-26-27 -20 40 60 80 100 120

-70 -50 -30 -10 10 30 50 70

7-16-25 -10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-70 -50 -30 -10 10 30 50 70

8-7-26 -20 40 60 80 100 120

-70 -50 -30 -10 10 30 50 70

9-18-27 -10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-70 -50 -30 -10 10 30 50 70

Gambar 15. Distribusi suhu pada dinding berdasarkan titik pengukuran suhu

4-5-6 -20 40 60 80 100 120

-70 -50 -30 -10 10 30 50 70

13-14-15

-20 40 60 80 100 120 140

-100 -50 0 50 100

22-23-24 -20 40 60 80 100 120

-70 -50 -30 -10 10 30 50 70

4-13-22 -10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-70 -50 -30 -10 10 30 50 70

5-14-23 -20 40 60 80 100 120 140

-70 -50 -30 -10 10 30 50 70

6-15-24 -20 40 60 80 100 120

-70 -50 -30 -10 10 30 50 70

10-11-12 -20 40 60 80 100 120 140

-70 -50 -30 -10 10 30 50 70

13-14-15

-20 40 60 80 100 120 140

-70 -50 -30 -10 10 30 50 70

16-17-18

-10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-70 -50 -30 -10 10 30 50 70

10-13-16

-10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-70 -50 -30 -10 10 30 50 70

11-14-17

-20 40 60 80 100 120 140

-70 -50 -30 -10 10 30 50 70

12-15-18

-20 40 60 80 100 120

-70 -50 -30 -10 10 30 50 70

Gambar 17. Distribusi suhu pada potongan tengah vertikal berdasarkan titik pengukuran suhu

1-2-3

-20 40 60 80 100 120

-70 -50 -30 -10 10 30 50 70

4-5-6

-20 40 60 80 100 120

-70 -50 -30 -10 10 30 50 70

7-8-9

-20. 0 40. 0 60. 0 80. 0 100. 0 120. 0

-70 -50 -30 -10 10 30 50 70

1-4-7 -10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-70 -50 -30 -10 10 30 50 70

2-5-8

-20 40 60 80 100 120

-70 -50 -30 -10 10 30 50 70

3-6-9

-10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-70 -50 -30 -10 10 30 50 70

31

Lama Pemasakan

Pemasakan dilakukan pada air. Air dimasukkan ke dalam sebuah wadah yang kemudian diletakkan pada ruang oven. Selama pemasakan, wadah air tidak ditutup.

Tabel 3. Hasil percobaan lama pemasakan air

Percobaan ke-

Iradiasi surya rata-rata

(W/m2)

Massa awal (g) Massa akhir (g) Lama pemasakan (menit)

1 781.5 75 38.7 140

2 725.3 75 41.3 85

3 768.9 75 31.6 140

4 658.5 75 35.7 100

Rata-rata 733.6 75 36.8 116.3

-100 200 300 400 500 600 700 800 900 1,000

10:00 10:20 10:40 11:00 11:20 11:40 12:00 12:20 12:40 13:00 13:20 13:40 14:00

Jam Ir adi asi S u rya (W /m 2 ) -10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Suhu ( o C)

Iradiasi Surya Air

Perubahan Nilai C Terhadap Lama Pemasakan -100 200 300 400 500 600 700 800

10:00 10:15 10:30 10:45 11:00 11:15 11:30 11:45 12:00 12:15 12:30

Jam (WIB) Ir ad ia si S u rya (W /m 2) -50 100 150 200 250 300 350 400 450 S uhu A ir ( oC)

Iradiasi C = 7.9 C = 16 C = 24 C = 32 C = 40 C = 48 C = 56 C = 64

Gambar 20. Perubahan suhu air pada beberapa nilai C

-100 200 300 400 500 600 700 800

10:00 10:15 10:30 10:45 11:00 11:15 11:30 11:45 12:00 12:15 12:30

Jam (WIB) Ir ad iasi S u ry a ( W /m 2) -10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 S uhu A ir ( oC)

Iradiasi C = 7.9 C = 16 C = 24 C = 32 C = 40 C = 48 C = 56 C = 64

33

-50 100 150 200 250 300 350 400

10:00 10:30 11:00 11:31 12:01 12:31

Jam (WIB)

S

uhu A

ir

(

oC)

C = 7.9 C = 16 C = 24 C = 32 C = 40 C = 48 C = 56 C = 64

Gambar 22. Perubahan suhu air pada beberapa nilai C dengan rata-rata iradiasi surya 335.6 W/m2

Tabel 4. Hasil simulasi lama pemasakan dan suhu air pada beberapa nilai C (concentration ratio)

Suhu Air (oC)

C

Rata-rata Iradiasi Surya

(W/m2)

Lama Pemasakan

(menit)

Rata-rata Min Max

7.9 600 73.0 90.4 27.0 100.0

16 600 44.2 95.8 27.0 100.0

24 600 32.6 100.7 27.0 100.0

32 600 15.5 135.6 27.0 100.0

40 600 11.4 168.5 27.0 100.0

48 600 7.9 183.8 27.0 100.0

52 600 5.0 190.4 27.0 100.0

56 600 2.6 195.8 27.0 100.0

Sebaran Suhu Ruang Oven Pada Kondisi Kuasi Steady State

A. Data Pengukuran

Pengukuran dilakukan mengunakan artificial solar irradiation terhadap oven surya. Pengukuran dilakukan pada saat oven surya tanpa reflektor dan dengan reflektor. Terlihat adanya perbedaan kenaikkan suhu yang sangat berbeda. Pada kondisi tanpa reflektor, kenaikkan suhu cukup lambat dan masih perlu waktu lebih lama untuk mencapai suhu yang konstan.

25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Waktu (menit)

S

uhu

(

oC)

2 5 8 11 14 20 23 26 29

Gambar 23. Perubahan suhu node ruang oven (tanpa reflektor) pada iradiasi konstan

Artificial Solar Irradiation sebesar 928.57 W/m2

0 50 100 150 200 250

0 5 10 15 20 25 30

Waktu(menit)

S

uhu

(

oC)

[image:59.595.160.467.256.460.2]

35

Gambar 24. Perubahan suhu node ruang oven (dengan reflektor) pada iradiasi konstan

Artificial Solar Irradiation sebesar 928.57 W/m2

Distribusi suhu ruang oven dapat digambarkan pada beberapa bagian, diantaranya lantai dan lokasi tertentu pada ruang oven. Pada lantai, terlihat bahwa suhu lantai bagian tengah memiliki nilai yang lebih tinggi dibandingkan pada bagian sekitarnya. Demikian halnya juga dengan suhu dinding ruang oven. Bagian tengah memiliki suhu yang lebih tinggi dibandingkan bagian sekitarnya.

0 20 40 60 80 100 120 140

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

Jarak (m m )

Su

h

u

(

C

)

Gambar 25. Distribusi suhu udara pada lantai ruang oven

0 10 20 30 40 50 60 70

-150 -100 -50 0 50 100 150

J A R A K ( mm)

B. Model Lump

Gambar 27 menunjukkan perbandingan antara perhitungan perubahan suhu oven dengan data pengukuran pada kondisi kuasi steady state. Seperti ditunjukkan berdasarkan persamaan keseimbangan energi oven, bahwa kemiringan kurva dihasilkan oleh parameter Z1, Z2, Z3, dan Z4. Pada saat iradiasi surya bernilai nol,

suhu ruang oven adalah seimbang dengan suhu lingkungan. Hal ini sesuai dengan Hukum II Termodinamika.

30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Solar irradiation (W/m2)

To (

oC)

Data Calculated

Gambar 27. Pendugaan perubahan suhu dalam ruang oven dengan pemanasan konstan pada kondisi kuasi steady state

Kemiringan pada grafik hasil perhitungan dipengaruhi oleh konstanta Z1, Z2,

Z3, dan Z4. Pada nilai mu = 0.075 kg, ma = 0.0024 kg, Cpu = 4216 J/kgoC, Cpa = 1006 J/kgoC, hu = 5.6 W/m2oC (v = 0 m/s), U = 0.775 W/m2oC, C = 7.9, Ao =

0.087 m2, Aus = 0.0115 m2, Aut = 0.0033 m2, ρ = 0.75, τα = 0.9 diperoleh

persamaan garis pada model matematika

a

o I T

Z Z

Z Z

T = +

7 2

1

6 ₍₆₎

menjadi:

37

C. Model Spasial (Menggunakan metode CFD)

Model matematik dibuat berdasarkan keseimbangan energi dan momentum

pada bagian ruang oven surya. Model dibuat berdasarkan pendekatan lump dan

spasial.

Diskretisasi sistem termal 3D pada oven surya dibuat menggunakan

software CFD, yaitu Gambit 2.2.30 dan Fluent 6.1. Langkah-langkah

pembuatannya sebagai berikut:

- Pembuatan geometri oven surya menggunakan Gambit 2.2.30, meliputi: ruang

oven, reflektor, wadah produk, dan outlet.

- Pembuatan mesh volume pada geometri yang akan disimulasikan

menggunakan Gambit 2.2.30.

- Pendefinisian beberapa variabel: (a) sifat termal bahan, (b) lapisan batas pada

masing-masing komponen, (c) model simulasi berupa model energi, dan (d) satuan

yang digunakan pada geometri yang dibuat menggunakan Fluent 6.1.

- Inisialisasi dilakukan pada Fluent 6.1.

- Penentuan zona permukaan hasil simulasi yang akan ditampilan pada Fluent 6.1.

Bentuk Grid

Grid (mesh) dibuat dengan ketentuan minimal terdapat 3 titik pada tiap ruas sisi. Ketelitian CFD dibentuk oleh banyaknya sel dalam grid ini. Grid dibentuk dengan pola tetrahedral berjumlah 16073 grid.

(c) (d)

Gambar 28. Bentuk mesh untuk pengukuran suhu pada ruang oven; (a) tampak atas, (b) tampak isometri, (c) tampak bawah, dan (d) tampak samping

Iterasi

Analisis distribusi suhu, kecepatan, dan tekanan udara dalam ruang oven digunakan metode numerik finite volume dengan algoritma SIMPLE. Algoritma ini terdiri atas beberapa tahap penyelesaian, yaitu: (1) inisialisasi, (2) diskretisasi persamaan momentum, (3) penyelesaian persamaan tekanan koreksi, (4) koreksi kecepatan dan tekanan udara, (5) penyelesaian seluruh persamaan diskret lainnya, dan (6) interasi sampai diperoleh kondisi konvergen. Beberapa variabel masukan CFD terdapat pada Lampiran 5.

39

Distribusi Suhu

(a) (b)

[image:63.595.105.521.121.478.2]

(c) (d)

Gambar 30. Distribusi suhu udara pada ruang oven; (a) seluruh bagian ruang oven, (b) dinding dan lantai, (c) garis potong sumbu x dan y, dan (d) bagian transparan

Sebaran Suhu Ruang Oven pada Kondisi Unsteady State

A. Data Penguku