1 SIMULASI DISTRIBUSI TEMPERATUR LARUTAN NUTRISI PADA
BEDENG TANAMAN SISTEM NFT (NUTRIENT FILM TECHNIQUE) DENGAN MENGGUNAKAN CFD (COMPUTATIONAL FLUID
DYNAMICS)
Oleh :
TRI YUDA HARYANTO F14050945
2010
DEPARTEMEN TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2 SIMULASI DISTRIBUSI TEMPERATUR LARUTAN NUTRISI PADA
BEDENG TANAMAN SISTEM NFT (NUTRIENT FILM TECHNIQUE) DENGAN MENGGUNAKAN CFD (COMPUTATIONAL FLUID
DYNAMICS)
SKIRPSI
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN
Pada Departemen Tenkik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian,
Institut Pertanian Bogor,
Oleh :
TRI YUDA HARYANTO F14050945
2010
DEPARTEMEN TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
3 Nama Lengkap : Tri Yuda Haryanto
NIM : F14050945
Judul Skripsi : Simulasi Distribusi Temperatur Nutrisi pada Bedeng Tanaman Sistem NFT (Nutrient Film Technique) dengan Menggunakan CFD (Computional Fluid Dynamics)
Menyetujui, Bogor, 2010
Pembimbing Akademik I Pembimbing Akademik II
Prof. Dr. Ir. Herry Suhardiyanto, M.Sc Dr.Ir. Indra Siswantara, NIP. 19590910 198503 1 003 NIP. 19670611 199203 1 002
Mengetahui,
Ketua Departemen Teknik Pertanian
Dr. Ir. Desrial, M.Eng NIP. 19661201 199103 1 004
Tanggal Lulus:...
4 Tri Yuda Haryanto. F14050945. Simulasi Distribusi Temperatur Nutrisi pada Bedeng Tanaman Sistem NFT (Nutrient Film Technique) dengan Menggunakan CFD (Computional Fluid Dynamics). Dibawah bimbingan: Herry Suhardiyanto dan Ahmad Indra Siswantara. 2010
RINGKASAN
Sistem hidroponik merupakan metode budidaya tanaman tanpa menggunakan tanah sebagai media tanamnya. Budidaya tanaman dengan cara ini telah banyak dikembangkan sebagai salah satu alternatif sistem produksi tanaman secara massal dengan lebih terencana dari segi mutu, waktu, dan jumlah hasil panen. Untuk menghasilkan produktifitas yang tinggi diperlukan kondisi yang optimal bagi faktor-faktor yang mempengaruhi pertumbuhan dan perkembangan tanaman. Adapun beberapa faktor yang mempengaruhi pertumbuhan dan perkembangan tanaman diantaranya temperatur udara, cahaya matahari, kelembaban udara, kadar CO2 dan ketersedian unsur hara.
Untuk menciptakan lingkungan yang sesuai dengan pertumbuhan dan perkembangan tanaman maka diperlukan sebuah lingkungan tumbuh yang optimal dan dapat dikontrol dengan baik. Penggunaan greenhouse atau rumah tanaman sebagai salah satu alternatif untuk budidaya tanaman dengan sistem hidroponik bisa digunakan. Dengan sistem rumah tanaman ini beberapa faktor yang kurang menguntungkan dapat dikendalikan.
Penggunaan rumah tanaman di Indonesia menyebabkan tingginya temperatur udara di dalamnya karena rumah tanaman ternyata juga memberikan efek samping sebagai pengumpul panas. Selain melindungi tanaman yang dibudidayakan di dalamnya dari curah hujan yang berlebihan dan serangan hama penyakit, penggunaan rumah tanaman diikuti oleh tingginya temperatur udara di dalamnya. Zone Cooling merupakan salah satu cara untuk menurunkan temperatur terbatas pada daerah yang berpengaruh langsung terhadap pertumbuhan tanaman.
Aplikasi zone cooling pada sistem hidroponik dilakukan dengan mengalirkan larutan nutrisi yang didinginkan ke daerah perakaran tanaman. Walaupun temperatur udara di bagian atas rumah tanaman tinggi, selama temperatur yang berada di zona tanaman cukup rendah maka pertumbuhan tanaman diharapkan tidak terganggu. Salah satu sistem hidroponik yang umum digunakan adalah NFT (Nutrient Film Technique). NFT merupakan metode budidaya tanaman dengan akar tanamannya berada di lapisan air dangkal tersirkulasi dan mengandung nutrisi sesuai dengan kebutuhan tanaman. Lapisan aliran air yang dangkal tersebut memungkinkan akar tanaman selain mendapatkan air dan nutrisi juga mendapatkan udara yang cukup.
Tujuan penelitian ini adalah mempelajari perubahan temperatur udara di dalam rumah tanaman dan temperatur larutan nutrisi di bedeng tanaman, mempelajari parameter perhitungan pindah panas untuk studi simulasi dengan CFD (Computional Fluid Dynamics), mempelajari distribusi temperatur larutan nutrisi sepanjang bedeng tanaman pada NFT melalui studi simulasi dengan CFD, serta mempelajari hubungan distribusi temperatur larutan nutrisi sepanjang bedeng tanaman dan kemiringan bedeng tanaman dengan simulasi CFD.
Penelitian ini dilakukan di dalam rumah tanaman yang berada di Laboratorium Lapang Leuwikopo, Departemen Teknik Pertanian, Fakultas
5 Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Penelitian dilakukan pada bulan Oktober 2009 hingga November 2009.
Penelitian dibagi menjadi empat tahap, tahap pertama adalah persiapan penelitian meliputi kegiatan sterilisasi greenhouse, pembuatan bedeng, persiapan peralatan, penyediaan bahan dan media tanam, serta penyiapan sistem sirkulasi larutan nutrisi. Tahap kedua adalah proses perlakukan penelitian dimana bedeng tanaman yang terbuat darai kayu lapis dilapisis plastik hitam dan ditutup oleh Styrofoam dimasukan tanaman tomat yang telah berumur 30 HST atau memiliki tinggi 1 meter. Tahap ketiga adalah pengamatan dan pengukuran yang dilakukan selama tiga hari berturut-turut dengan masing-masing pengambilan data selama 30 menit secara bersamaan menggunakan termokopel dan recorder. Tahap keempat merupakan tahap pengolahan data yang diperoleh dari lapangan, dan proses pensimulasian bedeng tanaman dengan CFD.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa distribusi temperatur larutan nutrisi di sepanjang bedeng tanaman berubah setiap waktu. Temperatur udara harian di dalam rumah tanaman pada fase pembungaan berkisar antara 23.7 oC hingga 41.5
oC dan rata-rata harian 28.4 oC, sedangkan temperatur udara harian di dalam rumah tanaman pada fase pembuahaan berkisar 23.0 oC hingga 34.4 oC dan rata- rata harian 26.8 oC. Temperatur larutan nutrisi di bedeng pada fase pembungaan berkisar antara 25.9 oC hingga 35.6 oC dengan rata-rata 29.8 oC.
Parameter termal yang digunakan untuk data input pada analisis CFD yaitu hasil perhitungan dari pindah panas yang terjadi pada bedeng yang berada di dalam rumah tanaman yang terkena radiasi matahari yang menyebabkan naiknya temperatur udara di dalam rumah tanaman. Adapun peristiwa pindah panas yang terjadi dan berpengaruh cukup besar ialah peristiwa konveksi dan konduksi dari udara pada larutan nutrisi di dalam bedeng. Hasil perhitungan pindah panas tersebut yang digunakan sebagai data input ialah total laju pindah panas dari dua waktu yang berbeda yaitu pukul 14:00 dan 14:30, adapun hasil perhitunganya berturut-turut yaitu 6.347 W/m2K dan 7.506 W/m2K.
Distribusi temperatur larutan nutrisi di dalam bedeng dengan menggunakan CFD memberikan gambaran distribusi temperatur larutan nutrisi yang cukup baik dimana dari beberapa titik yang diukur dalam waktu 30 menit kemudian data tersebut dianalisis menggunakan CFD memiliki hasil yang hampir sama, hal ini terlihat dari adanya peningkatan temperatur dari titik inlet ke titik outlet. Dengan demikian membuktikan bahwa analisis menggunakan CFD dapat dijadikan salah satu cara untuk analisis termal dari suatu objek yang akan dianalisis. Hasil distribusi temperatur larutan nutrisi dan energi yang dihasilkan oleh larutan nutrisi tersebut dengan menggunakan CFD yaitu berkisar antara 35oC hingga 35.12oC pada pukul 14:00 dengan nilai heat flux dan energi pindah panas yang dihasilkan selama proses mengalirnya larutan nutrisi di dalam bedeng tersebut yaitu sebesar 4.578 W/m2 dan 65.055 W, sedangkan pada pukul 14:30 temperatur larutan nutrisi yang terjadi berkisar antara 35.6oC hingga 35.82oC dengan nilai heat flux dan energi pindah panas yang dihasilkan selama proses tersebut yaitu sebesar 7.892 W/m2 dan 112.139 W.
Hasil simulasi dengan menggunakan CFD menunjukan makin besar kemiringan bedeng tanaman maka semakin cepat aliran larutan nutrisi yang melewati dalam bedeng tanaman juga akan berpengaruh pada besarnya panas yang diserap lebih sedikit oleh larutan nutrisi tersebut yang menyebabkan
6 temperatur larutan nutrisi menjadi lebih kecil, terlihat pada tiga kemiringan yang digunakan, kemiringan 1.6o memiliki distribusi temperatur larutan nutrsi yang paling besar tetapi memilki kecepatan aliran larutan nutrisi yang paling kecil, begitu pula sebaliknya dimana kemiringan 3o memiliki distribusi temperatur larutan nutrsi yang paling kecil tetapi memiliki kecepatan aliran larutan nutrisi yang paling besar. Dari hasil simulasi CFD pada hubungan distribusi temperatur larutan nutrisi dan panjang bedeng tanaman diperoleh pada penelitian ini panjang bedeng tanaman tidak bisa lebih dari 20 m karena akan memberikan temperatur yang lebih tinggi sehingga sulit dilakukan penurunan temperatur lewat penambahan kemiringan dan pendinginan larutan, serta sulitnya diperoleh keseragaman aliran di dalam bedeng dan tidak seragamnya pertumbuhan tanaman karena tidak meratanya penyerapan nutrisi oleh tanaman karena panjangnya bedeng tanaman.
Dengan diketahuinya karakteristik distribusi temperatur larutan nutrisi sepanjang bedeng tanaman baik pada skala lapangan maupun skala prediksi mengguanakan CFD maka perancangan dan pembuatan bedeng tanaman dapat dilakukan dengan baik agar diperoleh bedeng yang optimal untuk pertumbuhan tanaman, serta diperlukannya mesin pendingin untuk menjaga temperatur larutan nutrisi pada kondisi yang optimal. Dengan demikian, temperatur larutan nutrisi dapat tetap terjaga pada setiap titik pada bedeng tanaman tersebut tidak melebihi batas temperatur yang sesuai dibutuhkan tanaman yang dibudidayakan.
7
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Jakarta, 12 April 1988. Anak ketiga dari tiga bersaudara dari pasangan G. Supadi dan Surati. Penulis menyelesaikan pendidikan dasar di SD Negeri Bukit Duri 09 pagi pada tahun 1999. Penulis melanjutkan pendidikan menengah di SLTP Negeri 3 Jakarta, tamat pada tahun 2002. Setelah itu melanjutakn ke SMA Negeri 26 Jakarta dan tamat pada tahun 2005.
Pada tahun 2005, penulis masuk ke IPB melalui jalur SPMB diterima di Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Selama di perguruan tinggi, penulis aktif berorganisasi di BEM Tingkat Persiapan Bersama (TPB) angkatan 42 sebagai wakil ketua BEM, BEM Keluarga Mahasiswa (KM) IPB sebagai staff Kajian Strategis Daerah (KASDA), dan di BEM Keluarga Mahasiswa (KM) IPB sebagai Menteri Kebijakan Daerah (JAKDA). Selain berorganisasi, penulis juga aktif mengikuti kepanitiaan dalam beberapa acara kampus seperti Open House (OH) mahasiswa baru Angkatan 43, Masa Perkenalan Kampus Mahasiswa Baru (MPKMB) Angkatan 43, Lepas Landas Sarjana, Seminar Sosialisasi Pemilu 2009, Seminar Kebijakan Pertanian di Kabupaten Bogor. Penulis juga pernah menjadi sebagai asisten praktikum mata kuliah Motor dan tenaga Pertanian (2008 dan 2009, TEP), Ilmu Ukur Wilayah (2009, TEP), Ilmu Ukur Tanah (2009, SIL), dan Teknik Greenhouse dan Hidroponik (2009, TEP).
Pada tahun 2008, penulis melakukan Kegiatan Praktek Lapangan di PT.
Astra Agro Lestari dengan judul “Aspek Pembibitan Kelapa Sawit pada PT.
Nirmala Agro Lestari, Kabupaten Lamandau, Kalimantan Tengah”. Salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknologi Pertanian, penulis menyelesaikan skripsi dengan judul “Simulasi Distribusi Temperatur Nutrisi pada Bedeng Tanaman Sistem NFT (Nutrient Film Technique) dengan Menggunakan CFD (Computional Fluid Dynamics)”.
i
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan hidayah dan rahmat-NYA, salawat serta salam juga dihaturkan kepada baginda Rasulullah SAW, pemimpin besar umat Islam.
Berkat nikmat-NYA penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini yang berjudul “Simulasi Distribusi Temperatur Nutrisi pada Bedeng Tanaman Sistem NFT (Nutrient Film Technique) dengan Menggunakan CFD (Computional Fluid Dynamics)”. Penulis dengan penuh kekurangan ini tidak akan pernah selesai tanpa bantuan orang-orang yang berada disekitar penulis yang terus memberikan bantuan, semangat serta do’a. Penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Bapak Prof. Dr. Ir. Herry Suhardiyanto, M.Sc selaku dosen pembimbing skripsi yang telah memberikan ilmu dan membimbing penulis dengan sabar dalam proses penyusunan skripsi ini hingga dapat menyelesaikan dengan baik.
2. Bapak Dr. Ir. Ahmad Indra Siswantara, selaku dosen pembimbing skripsi kedua yang dengan sabar mencurahkan waktunya untuk memberikan ilmu yang tak ternilai kepada penulis terutama diberikan kesempatan mengikuti kuliah dan praktikum CFD-nya.
3. Bapak Dr. Ir. Erizal, M.Agr sebagai dosen penguji yang telah bersedia menguji dan memberikan masukkan, kritik, serta ilmu yang bermanfaat untuk penyempurnaan skripsi ini.
4. Pak Ahmad dan Pak Harto serta seluruh civitas Departemen Teknik Pertanian atas bantuan yang diberikan.
5. Papa G. Supadi dan Ibu Surati, Mas Bambang S - Mbak Isa, Mas Dwi S - Mbak Sherly, serta dua keponakanku Tio dan Miftah yang selalu memberikan semangat, dukungan dan do’a yang tak pernah terputus kepada penulis sehingga penulis menyelesaikan skripsi.
6. Dompet Dhuafa Republika (DDR) yang telah memberikan beasiswa BEASTUDI ETOS kepada penulis selama 3 tahun pertama kuliah di IPB, tanpa adanya beasiswa ini sulit rasanya penulis dapat melanjutkan pendidikan di perguruan tinggi.
ii 7. Teman-teman yang telah bersedia membantu dan memberikan waktu dan ilmu pada saat penelitian dan cara menggunakan software EFD, Ahmad Rifqy, Dewi L, Evy Y, Mas Agus, Hasbi, Farid, Dini, Mas Ali, Mbak Dona, Mbak Titin, dan Abdul Wahhaab terima kasih untuk semua kesabaran, pengertian, dan pengalaman yang tak terlupakan.
8. Teman-teman LBP’ers dan TEP 42, terima kasih atas dukungan, bantuan diskusi serta kebersamaan yang tak terlupakan hingga akhir hayat penulis, semoga tetap jaga tali persaudaraan kita.
9. Teman-teman seperjuangan di Asrama BEASTUDI ETOS 42 dan Wisma Madani, terima kasih atas dukungan, bantuan dan kebersamaan yang diberikan kepada penulis selama tinggal di Bogor.
Penulis dengan sangat sadar bahwa penulisan skripsi ini masih penuh kekurangan, namun penulis berharap semoga skripsi ini tetap bermanfaat bagi yang membutuhkan hingga kapan pun.
Bogor, Juni 2010
Tri Yuda Haryanto F14050945
iii
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... i
DAFTAR ISI ... iii
DAFTAR TABEL ... v
DAFTAR GAMBAR ... vi
DAFTAR LAMPIRAN... ... vii
BAB 1. PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Tujuan ... 3
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA ... 4
2.1 Tomat (Lycopersicum Esculentum Mill) ... 4
2.2 NFT (Nutrient Film Technique) ... 5
2.3 Rekayasa Termal ... 7
2.4 Temperatur ... 8
2.5 Rumah Tanaman ... 9
2.6 Pindah Panas ... 10
2.7 Dasar-dasar Simulasi ... 12
2.8 Metode Komputasi Dinamika Fluida ... 13
BAB 3. METODOLOGI ... 16
3.1 Tempat dan Waktu Pelaksanaan ... 16
3.2 Bahan dan Alat ... 16
3.3 Metode Penelitian ... 18
3.4 Asumsi-Asumsi yang Digunakan ... 24
BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 25
4.1 Perubahan Temperatur ... 25
4.2 Parameter Termal untuk Simulasi dengan CFD ... 29
4.3 Distribusi Temperatur Larutan Nutrisi dalam Bedeng dengan CFD ... 33
4.4 Simulasi Hubungan Distribusi Temperatur Larutan Nutrisi dan Kemiringan Bedeng Tanaman dengan CFD ... 41
4.5 Simulasi Hubungan Distribusi Temperatur Larutan Nutrisi dan Panjang Bedeng Tanaman dengan CFD ... 45
iv
BAB 5. KESIMPULAN DAN SARAN ... 50
5.1 Kesimpulan ... 50
5.2 Saran ... 51
DAFTAR PUSTAKA ... 51
LAMPIRAN ... 55
v
DAFTAR TABEL
Tabel 1. Hasil perhitungan koefisien konveksi udara dari seluruh bagian
bedeng.….………...…... 33 Tabel 2. Hasil perhitungan laju pindah panas pada seluruh bagian bedeng... 33 Tabel 3. Data masukan untuk perhitungan CFD... 34 Tabel 4. Tabel temperatur larutan nutrisi pada titik 1 mm dari inlet pukul 14.00 dengan ketinggian 1mm-3 mm dari dasar……… 37 Tabel 5. Tabel temperatur larutan nutrisi pada titik tengah bedeng pukul 14.00 dengan ketinggian 1 mm-3 mm dari dasar……….. 37 Tabel 6. Tabel temperatur larutan nutrisi pada titik 1 mm dari outlet pukul 14.00
dengan ketinggian 1 mm-3 mm dari dasar………... 37 Tabel 7. Tabel temperatur larutan nutrisi pada titik 1 mm dari inlet pukul 14.30
dengan ketinggian 1mm-3 mm dari dasar……… 38 Tabel 8. Tabel temperatur larutan nutrisi pada titik tengah bedeng pukul 14.30
dengan ketinggian 1 mm-3 mm dari dasar……… 38 Tabel 9. Tabel temperatur larutan nutrisi pada titik 1 mm dari outlet pukul 14.30 dengan ketinggian 1 mm-3 mm dari dasar……… 38 Tabel 10.Data masukkan simulasi CFD dengan dua kemiringan…………... 42 Tabel 11.Tabel temperatur larutan nutrisi pada 1 mm dari inlet dan 2 mm dari
dasar ……….... 43 Tabel 12.Tebal temperatur larutan nutrisi pada tengah bedeng dan 2 mm dari
dasar ………. 44
Tabel 13.Tebal temperatur larutan nutrisi pada 1 mm dari outlet dan 2 mm
dari dasar ……….. 44 Tabel 14.Data masukkan simulasi CFD dengan empat skenario panjang... 46 Tabel 15.Tabel temperatur larutan nutrisi pada 1 mm dari inlet dan 2 mm dari dasar... 48 Tabel 16.Tabel temperatur larutan nutrisi pada tengah bedeng dan 2 mm dari
dasar... 48 Tabel 17.Tabel temperatur larutan nutrisi pada 1 mm dari oulet dan 2 mm dari Dasar... 48
vi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. Pompa air……...... 17
Gambar 2. Recorder Yokogawa AW 1000... 17
Gambar 3. Skema titik pengukuran tampak atas... 20
Gambar 4. Skema pindah panas pada bedeng ... 21
Gambar 5. Model bedeng tanaman untuk simulasi... 23
Gambar 6. Grafik perubahan temperatur udara harian di dalam rumah tanaman (28-29 Oktober 2009)……… 25
Gambar 7. Grafik perubahan temperatur udara harian di dalam rumah tanaman (6-7 November 2009)……… 26
Gambar 8. Grafik perubahan temperatur larutan nutrisi di dalam bedeng pada bedeng I (28-29 Oktober 2009)………. 27
Gambar 9.Grafik perubahan temperatur larutan nutrisi di dalam bedeng pada bedeng I (6-7 November 2009)……… 28
Gambar 10.Distribusi temperatur larutan nutrisi di dalam bedeng pukul 14.00, (a)lapisan 1 mm, (b)lapisan 2mm, (c)lapisan 3 mm, dari dasar... 35
Gambar 11.Distribusi temperatur larutan nutrisi di dalam bedeng pukul 14.30, (a)lapisan 1 mm, (b)lapisan 2mm, (c)lapisan 3 mm, dari dasar... 36
Gambar 12.Distribusi temperatur larutan nutrisi di dalam bedeng dengan tiga, kemiringan (a) 1.6o, (b) 2o, (c) 3o, dari lantai ... 43
Gambar 13.Distribusi temperatur larutan nutrisi di dalam bedeng dengan skenario empat panjang berbeda (a) 8.5 m, (b) 12 m, (c) 20 m, dan (d) 30 m... 47
vii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Data temperatur udara di dalam rumah tanaman pada bedeng I
fase pembungaan tanggal 28-29 Oktober 2009... 55 Lampiran 2. Data temperatur larutan nutrisi di dalam bedeng I pada fase
pembungaan tanggal 28-29 Oktober 2009 ……….. 57 Lampiran 3. Data temperatur udara di dalam rumah tanaman pada bedeng I
fase pembuahan tanggal 6-7 November 2009... 59 Lampiran 4. Data temperatur larutan nutrisi di dalam bedeng I pada fase
pembuahan tanggal 6 - 7 November 2009... 61 Lampiran 5. Perhitungan pindah panas di dalam bedeng tanaman pukul 14.00.. 63 Lampiran 6. Perhitungan pindah panas di dalam bedeng tanaman pukul 14.30.. 66 Lampiran 7. Tabel tterasi CFD temperatur larutan nutrisi di dalam bedeng pukul 14.00………. 69 Lampiran 8.Tabel iterasi CFD Heat flux pukul 14.00………. 70 Lampiran 9. Iterasi CFD energi pindah panas pada pukul 14.00………. 71 Lampiran 10.Tabel iterasi CFD temperatur larutan nutrisi di dalam bedeng pukul
14.30……….... 72 Lampiran 11.Tabel iterasi CFD Heat flux pukul 14.30……… 73 Lampiran 12.Tabel iterasi CFD energi pndah panas pada pukul 14.30………… 74
1
BAB 1. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Hidroponik merupakan budidaya tanaman yang tidak menggunakan tanah sebagai media tanamnya. Nutrisi yang diperlukan oleh tanaman diberikan dalam bentuk larutan. Budidaya dengan cara ini telah banyak dikembangkan sebagai salah satu alternatif sistem produksi tanaman secara massal dengan lebih terencana dari segi mutu, waktu, dan jumlah hasil panen.
Untuk menghasilkan produktifitas yang tinggi, lingkungan di sekitar tanaman perlu diupayakan berada pada kondisi yang optimal. Adapun beberapa faktor yang mempengaruhi pertumbuhan dan perkembangan tanaman diantaranya adalah temperatur udara, cahaya matahari, kelembaban udara, kadar CO2 dan ketersedian unsur-unsur hara.
Untuk menciptakan lingkungan yang optimal bagi pertumbuhan dan perkembangan tanaman yang baik maka lingkungan pertumbuhan tanaman perlu dikontrol dengan baik. Penggunaan greenhouse atau rumah tanaman memungkinkan dilakukannya pengendalian lingkungan di sekitar tanaman agar lebih mendekati kondisi optimal tersebut, terutama perlindungan terhadap tanaman dari kondisi yang tidak menguntungkan bagi pertumbuhan dan perkembangan tanaman. Sistem hidroponik dapat diterapkan dengan baik bila digunakan rumah tanaman sebagai fasilitas untuk perlindungan bagi tanaman.
Salah satu sistem hidroponik yang umum digunakan pada tingkat komersial adalah Nutrient Film Technique (NFT). NFT merupakan metode budidaya tanaman dengan akar tanamannya berada pada lapisan air dangkal tersirkulasi dan mengandung nutrisi sesuai dengan kebutuhan tanaman.
Lapisan aliran air yang dangkal tersebut memungkinkan akar tanaman selain mendapatkan air dan nutrisi juga mendapatkan udara yang cukup.
Iklim tropis Indonesia dicirikan oleh tingginya temperatur udara sepanjang hari karena tingginya radiasi matahari. Selain melindungi tanaman yang dibudidayakan di dalamnya dari curah hujan yang berlebihan dan serangan hama penyakit, penggunaan rumah tanaman selalu diikuti oleh
2 persoalan tingginya temperatur udara di dalamnya. Penggunaan rumah tanaman di Indonesia selalu diikuti oleh tingginya temperatur udara di dalamnya pada siang hari ketika cuaca cerah. Hal ini karena rumah tanaman juga berkarakteristik sebagai pengumpul panas.
Oleh karena itu, diperlukan rekayasa lingkungan mikro di dalam rumah tanaman. Rekayasa lingkungan mikro yang dilakukan dengan cara mengendalikan temperatur disebut juga rekayasa termal. Tingginya beban panas di dalam rumah tanaman akibat radiasi matahari menyebabkan diperlukan energi yang besar untuk pendinginan. Untuk itu diperlukan rekayasa termal yang efektif dan efisien dalam penggunaan energi. Analisa termal perlu dilakukan untuk mengetahui proses pindah panas yang terjadi dan besarnya energi yang dibutuhkan untuk pendinginan.
Suhardiyanto (1994) telah mengembangkan zone cooling sebagai metode rekayasa termal untuk menurunkan temperatur secara terbatas pada daerah di sekitar tanaman yang langsung berpengaruh kepada pertumbuhan tanaman. Dengan zone cooling, energi yang diperlukan untuk mendinginkan tidak terlalu besar. Walaupun temperatur udara di bagian atas rumah tanaman tinggi, selama temperatur yang berada di zona tanaman cukup rendah maka pertumbuhan tanaman diharapkan tidak terganggu. Aplikasi zone cooling pada sistem hidroponik secara NFT dilakukan dengan mendinginkan larutan nutrisi kemudian mengalirkannya ke saluran tempat tanaman dibudidayakan.
Larutan nutrisi kemudian ditampung dengan tangki dan selanjutnya didinginkan kembali.
Dalam perancangan saluran tempat budidaya tanaman secara NFT untuk aplikasi zone cooling dengan pendinginan larutan nutrisi diperlukan kajian sebaran temperatur larutan nutrisi ketika mengalir di dalam saluran tersebut. Oleh karena itu, perlu dilakukan simulasi untuk memprediksi proses pindah panas yang terjadi dan sebaran temperatur yang tepat untuk pendinginan larutan nutrisi. Simulasi proses pindah panas dan sebaran temperatur larutan nutrisi tersebut ini dapat dilakukan dengan menggunakan program Computational Fluid Dynamics (CFD).
3 Tomat adalah salah satu komoditas sayuran yang sangat potensial untuk dibudidayakan secara hidroponik menggunakan NFT. Hal ini karena tanaman tomat sangat responsif terhadap pasokan nutrisi berupa larutan dan kemampuan buffer yang tinggi dalam menghadapi kondisi ekstrim dalam pasokan unsur hara. Tanaman ini secara luas dibudidayakan dari dataran rendah hingga dataran tinggi. Untuk menghasilkan buah tomat yang baik, selain menggunakan varietas yang tahan terhadap penyakit dan hama, juga perlu menerapkan teknologi budidaya yang tepat. Dengan demikian diharapkan akan tercapai produktivitas yang tinggi dan mutu tomat yang baik.
Penerapan teknologi hidroponik secara tepat dalam budidaya tomat antara lain adalah penggunaan saluran tempat pertumbuhan tanaman yang diketahui sebaran temperaturnya. Oleh karena itu, dilakukanlah simulasi sebaran temperatur larutan nutrisi dalam saluran budidaya tomat secara NFT dengan menggunakan CFD.
1.2 Tujuan
Tujuan penelitian ini adalah untuk :
1. Mempelajari perubahan temperatur udara di dalam rumah tanaman, dan temperatur larutan nutrisi di dalam saluran bedeng budidaya tanaman tomat.
2. Mempelajari parameter perhitungan pindah panas untuk simulasi dengan CFD.
3. Mempelajari distribusi temperatur larutan nutrisi sepanjang saluran bedeng tanaman tomat secara NFT melalui simulasi CFD.
4. Mempelajari hubungan distribusi temperatur larutan nutrisi sepanjang bedeng tanaman dan kemiringan bedeng tanaman dengan simulasi CFD.
5. Mempelajari hubungan distribusi temepratur larutan nutrisi dan panjang bedeng tanaman.
4
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Tomat (Lycopersicum Esculentum Mill)
Tomat dengan nama botani Lycopersicum Esculentum Mill merupakan sayuran buah yang berasal dari kawasan Peru dan Ekuador. Pada tahun 1811, tanaman tomat mulai menyebar ke negara-negara lain termasuk Indonesia, terutama di dataran tinggi (Wijanarko, 1990). Para ahli botani mengklasifikasikan tanaman tomat sebagai berikut :
Kelas : Dycotyledonae Ordo : Tubiflarae Famili : solanaceae
Genus : Lycopersicon atau Lycopersicum
Spesies : Lycopersicon esculentum L. korst atau Lycopersicum esculentum Mill
Menurut Tugiyono (2007), tanaman tomat adalah tanaman setahun yang berbentuk perdu atau semak dan termasuk ke dalam golongan tanaman berbunga (angiospermae). Bentuk daunnya bercelah menyirip tanpa stippelae (daun penumpu), jumlah daunnya ganjil antara 5-7 helai. Batang tomat tidak sekeras tanaman tahunan tetapi cukup kuat dan warna batang hijau dan berbentuk persegi empat sampai bulat. Pada permukaan batangnya ditumbuhi banyak rambut halus terutama di bagian berwarna hijau. Diantara rambut- rambut tersebut biasanya terdapat rambut kelenjar. Pada bagian buku- bukunya terjadi penebalan dan kadang-kadang pada bagian buku bagian bawah terdapat akar-akar pendek.
Bunga tomat termasuk jenis bunga sempurna artinya daun bunga, benang sari, dan putik terdapat pada satu bunga (Wijanarko, 1990). Bunga tomat tersusun dalam tandan yang terletak diantara ruas batang, terdiri dari lima benang helai kelopak bunga, lima helai mahkota yang berwarana kuning, lima benang sari yang muncul dari dasar mahkota serta kepala putik. Tomat pada umumnya menyerbuk sendiri (Thompson dan Kelly, 1979). Pada umumnya, dalam satu tandan terdapat 5-10 bunga.
5 Kandungan gizi dalam tomat yang sangat tinggi mendorong tingginya konsumsi masyarakat akan tomat. Buah tomat banyak mengandung vitamin A, vitamin C, mineral , dan lycopene. Kandungan vitamin dalam tomat yaitu vitamin A dan C dapat membantu penyembuhan penyakit buta malam, memelihara kesehatan gigi dan gusi, dan mempercepat penyembuhan luka.
Selain vitamin kandungan gizi tomat yang tak kalah penting ialah lycopene yang memberikan warna merah pada tomat, diyakini merupakan antioksidan yang jauh memilki khasiat dibanding beta karotin. Seperti antioksidan yang lain, lycopene melindungi tumbuhnya radikal-radikal bebas yang berbentuk dalam tubuh akibat polusi, rokok dan sinar ultraviolet. Lycopene dapat membantu dari kerusakan sel yang dapat berakibat kanker dan penyakit lain.
Temperatur bulanan rata-rata yang sesuai untuk pertumbuhan tomat berkisar antara 21-24 oC, sedangkan temperatur malam yang sesuai bagi pembentukan bunga dan buah berkisar antara 15-20 oC. Untuk pertumbuhan dan hasil yang baik, tomat memerlukan penyinaran matahari sepanjang (Thompson dan Kelly, 1979). Pembentukan buah sangat ditentukan oleh faktor temperatur malam hari. Pengalaman dari berbagai negara membuktikan bahwa temperatur yang terlalu tinggi di waktu malam menyebabakan tanaman tomat tidak dapat membentuk bunga sama sekali, sedangkan pada temperatur kurang dari 10 oC tepung sari menjadi lemah tumbuhnya dan banyak tepung sari yang mati, akibatnya hanya sedikit yang terjadi pembuahan (Tugiyono, 2007).
2.2 NFT (Nutrient Film Technique)
NFT (Nutrient Film Technique) adalah metode budidaya secara hidroponik yang akar tanamannya berada di lapisan air dangkal tipis (3-10 mm) seperti film, dimana nutrisi dapat tersirkulasi sesuai kebutuhan tanaman.
Pada sistem hidroponik secara NFT, akar tanaman terendam dalam larutan nurisi yang bersirkulasi selama 24 jam terus menerus. Sebagian akar terendam dan sebagian lainnya berada di atas permukaan air.
Pada sistem NFT, tanaman ditegakkan di bedeng berbentuk segi empat (untuk mencegah terjadi deoksigenasi) yang biasanya digunakan untuk talang
6 rumah, juga dari fiberglass yang dirancang khusus. Bedeng-bedeng disusun dengan kemiringan 1-5% sehingga larutan nutrisi mengalir dari bagian atas ke bawah karena pengaruh gravitasi bumi. Larutan nutrisi berasal dari sebuah tangki air dengan kapasitas sesuai populasi tanaman. Larutan nutrisi dipompakan dengan sebuah pompa dari tangki air ke bedeng. Setelah mengalir disepanjang bedeng, larutan nutrisi ini keluar dari outlet kemudian ditampung di tangki lagi. Selanjutnya larutan nutrisi kembali dipompakan ke dalam bedeng. Sirkulasi larutan nutrisi dilakukan terus-menerus.
Menurut Chadirin (2006), keuntungan menggunakan sistem NFT adalah sebagai berikut :
1. Sistem NFT dapat mempersingkat masa tanam karena tanaman tumbuh lebih cepat dari tanaman yang dibudidayakan secara konvensional di tanah, sehingga dapat menambah musim tanam per tahunnya.
2. Pemberian nutrisi lebih mudah terkontrol secara tepat sesuai denagn kebutuhan tanaman.
3. Terhindar dari kekringan karena nutrisi dan air disirkulasikan secara teratur ke daerah perakaran tanaman.
4. Pengendalian temperatur lebih mudah dilakukan dengan cara mengotrol temperatur larutan pada tingkat yang optimum bagi daearah perakaran tanaman.
5. Tidak diperlukan sterilisasi tanah.
6. Hemat biaya nutrisi, karena pupuk/nutrisi dan air diberikan kepada tanaman secara sirkulasi sehingga tidak ada yang terbuang.
Hidoponik NFT dikategorikan sebagai sistem tertutup. Kekurangan sistem ini adalah apabila terjadi akar dari salah satu tanaman terserang penyakit maka seluruh tanaman akan menular dalam waktu singkat.
Hidroponik secara NFT membutuhkan pasokan aliran energi listrik secara terus menerus. Apabila pasokan listrik selama beberapa jam saja terhenti maka seluruh tanaman dalam sistem NFT terancam mati total.
7 2.3 Rekayasa Termal
Persoalan terbesar pemanfaatan rumah tanaman di daerah tropika basah adalah sangat tingginya temperatur udara pada siang hari ketika cuaca cerah, sedangkan evaporative cooling yang relatif efektif jika digunakan di daerah kering juga tidak efektif lagi digunakan. Daerah tropika basah, seperti Indonesia, mendapatkan radiasi matahari penuh 12 jam setiap harinya sepanjang tahun. Radisasi matahari yang masuk ke dalam rumah tanaman mengakibatkan temperatur udara dalam rumah tanaman meningkat dengan cepat hingga seringkali melewati kondisi optimum bagi pertumbuhan tanaman. Beban panas yang timbul pada 80 bedengan tanaman per 10 acre luasan tanam dilaporkan sebear 590 MJ per hari per 10 acre. Pendinginan terbatas atau zone cooling dilaporkan dapat mendinginkan temperatur udara di sekitar tanaman dengan input energi yang minimum (Kojima and Suhardiyanto, 1991; Suhardiyanto and Matsuoka, 1992).
Zone cooling dilakukan dengan cara mendinginan daerah di sekitar tanaman saja tanpa perlu mendinginkan volume udara seluruh rumah kaca.
Udara dingin di hembuskan melalui pipa-pipa berlubang yang diletakkan di sekitar tanaman mampu mendinginkan udara di sekitar tanaman, yakni 2-6oC lebih rendah dibandingkan dengan daerah yang tidak mendapat hembusan angin dingin (Suhardiyanto and Matsuoka, 1992 dan 1994).
Pada hidroponik sistem NFT, zone cooling dapat dilakukan dengan cara mendinginkan larutan nutrisi dalam bak/tangki nutrisi yang selanjutnya disirkulasikan ke daerah perakaran sepanjang bedeng tanaman (Matsuoka dan Suhardiyanto, 1992). Chadirin (2006) melaporkan pendinginan larutan nutrisi dengan menggunakan deep sea water mampu menghemat 78% konsumsi energi listrik. Matsuoka dan Suhardiyanto (1992) melaporkan bahwa tanaman tomat dengan temperatur daerah perakaranya dipertahankan pada tingkat 21oC sampai 23oC ternyata tumbuh jauh lebih baik dalam sistem NFT dibandingkan dengan yang berada pada tingkat temperatur daerah perakaranya 25oC sampai 27oC.
8 2.4 Temperatur
Temperatur lingkungan berpengaruh terhadap proses fisik dan kimiawi tanaman dan selanjutnya akan mengendalikan proses biologi dalam tanaman (Harjadi dan Setyawati, 1996). Temperatur sangat besar pengaruhnya dalam mendukung atau membatasi pertumbuhan tanaman. Temperatur daun, batang, dan akar biasanya berada dalam kisaran beberapa derajat dari temperatur udara dan tanah. Oleh karena itu, pertumbuhan dan metabolisme tanaman sangat dipengaruhi oleh perubahan temperatur lingkungan (Fitter dan Hay, 1991).
Respon laju pertumbuhan tanaman terhadap satu kisaran temperatur yang konstan dibagi menjadi tiga bagian, yaitu kisaran temperatur minimum dan maksimum dimana pertumbuhan tanaman terhenti seluruhnya, dan kisaran temperatur optimum dimana kecepatan pertumbuhan tertinggi dapat dipertahankan dengan anggapan bahwa temperatur merupakan faktor pembatas pertumbuhan (Fitter dan Hay, 1991).
Temperatur optimum untuk pertumbuhan akar umumnya lebih rendah daripada temperatur untuk pertumbuhan pucuk. Tanaman akan tumbuh baik pada kisaran temperatur larutan nutrisi dan temperatur lingkungan tertentu.
Tanaman tomat akan tumbuh baik apabila temperatur larutan nutrisi 22 C meskipun temperatur sekitar tidak mendukung untuk pertumbuhan dan perkembangan tanaman tomat.
Tanaman tomat akan tumbuh subur jika tanaman mendapat cahaya matahari yang cukup dan berada pada temperatur yang optimal untuk pertumbuhan. Temperatur optimal pada siang hari berkisar 25-30 C dan temperatur pada malam hari berkisar 15-20 C. Temperatur optimal pada malam hari sangat baik untuk pertumbuhan bunga, karena proses pembungaan terjadi pada malam hari (Villareal, 1980).
9 2.5 Rumah Tanaman
Menurut Nelson (1978), greenhouse atau rumah tanaman didefinisikan sebagai suatu bangunan yang memiliki struktur atap dan dinding yang bersifat tembus cahaya. Cahaya yang dibutuhkan oleh tanaman dapat masuk ke dalam rumah tanaman sedangkan tanaman terhindar dari kondisi yang tidak menguntungkan. Selain itu dengan pemakaian rumah tanaman maka temperatur, kelembaban, cahaya, dan keperluan tanaman yang lain dapat diatur sampai tanaman (sayuran) musiman dapat ditanaman sepanjang tahun.
Di dalam rumah tanaman, parameter lingkungan yang berpengaruh terhadap pertumbuhan tanaman, yaitu cahaya matahari, temperatur udara, kelembaban udara, pasokan nutrisi, kecepatan angin, dan konsentrasi karbondioksida dapat dikendalikan dengan mudah. Penggunaan rumah tanaman memungkinkan dilakukannya modifikasi lingkungan yang tidak sesuai bagi pertumbuhan tanaman menjadi lebih mendekati kondisi optimum bagi pertumbuhan tanaman (Suhardiyanto, 2009). Di dalam budidaya tanaman, rumah tanaman dibangun untuk melindungi tanaman dari cuaca dingin di musim dingin di daerah sub tropis karena rumah tanaman dapat menjadi tempat untuk bercocok tanam sekalipun di musim dingin.
Penggunaan rumah tanaman di daerah sub tropis ini memungkinkan petani melakukan rekayasa termal karena lingkungan pertumbuhan tanaman dibatasi oleh rumah tanaman. Dengan demikian budidaya tanaman masih dapat dilakukan di musim dingin dalam rumah kaca. Indonesia merupakan negara tropis yang mengalami musim kemarau dan musim penghujan sehingga fungsi rumah tanaman lebih ditekankan sebagai sarana pelindung tanaman terhadap iklim yang tidak menguntungkan, yakni memanfaatkan rumah tanaman untuk melindungi tanaman dari terpaan curah hujan, temperatur yang terlalu rendah, dan tiupan anagin yang terlalu kencang.
Selanjutnya dinding rumah tanaman di pasang kain/kawat kasa untuk melindungi tanaman dari serangan hama dan serangga.
10 2.6 Pindah Panas
Peristiwa pindah panas didefinisikan sebagai berpindahnya energi dari satu daerah ke daerah yang lainnya sebagai akibat dari beda temperatur dari daerah-daerah tersebut (Kreith, 1994). Pindah panas dapat terjadi secara konduksi, konveksi dan radiasi.
1. Konduksi
Konduksi adalah proses dimana panas mengalir dari daerah bertemperatur tinggi ke daerah bertemperatur lebih rendah di dalam satu medium (padat, cair, gas) atau antara medium-medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung (Kreith, 1994). Besaran perpindahan panas konduksi tergantung dari nilai konduktivitas panas suatu bahan.
Menurut Holman (1997), jika dalam suatu bahan terdapat gradien temperatur (temperature gradient) maka terjadi perpindahan energi atau panas dari bagian yang bertemperatur tinggi ke bagian yang bertemperatur lebih rendah.
Besarnya laju aliran panas dengan cara konduksi suatu bahan dinyatakan dalam :
dx kAdT
qk ……….(1)
dimana : qk : laju perpindahan panas (W)
k : konduktivitas termal (thermal conductivity) bahan (W/m.K)
A : luas penampang benda yang tegak lurus terhadap aliran panas (m2)
dT : gradien temperatur (K) : ketebalan dinding (m) 2. Konveksi
Arus cairan atau gas yang menyerap kalor pada suatu tempat, lalu bergerak ke tempat lain dan bercampur dengan bagian fluida yang lebih dingin serta memberikan kalornya, disebut arus konveksi (Zemansky dan Dittman, 1986).
dx
11 Kreith (1994) mengemukakan bahwa perpindahan panas konveksi berdasarkan cara menggerakan alirannya diklasifikasikan menjadi dua cara yaitu, konvesi bebas (alami) dan konveksi paksa. Konveksi bebas terjadi karena adanya perbedaan massa jenis yang disebabkan oleh perbedaan temperatur, sedangkan konveksi paksa terjadi karena adanya gerak dari luar misalnya dari pompa atau kipas.
Laju perpindahan panas konveksi dinyatakan dalam persamaan berikut:
)
( f
c
c h AT T
q ………...………..(2)
dimana: qc : laju perpindahan panas (W)
hc : koefisien perpindahan panas konveksi (convection heat transfer coefficient)
(W/m2.K)
T : temperatur permukaan (K) Tf : temperatur fluida (K) 3. Radiasi
Radiasi adalah proses dimana panas mengalir dari benda yang bertemperatur tinggi ke benda yang bertemperatur lebih rendah bila benda- benda tersebut terpisah di dalam ruang, bahkan bila terdapat ruang hampa di antara benda-benda tersebut dan energi panas yang berpindah ini disebut panas radiasi (Kreith, 1994).
Laju aliran panas suatu benda dengan cara radiasi, dihitung dengan menggunakan persamaan :
AT4
qr ………....(3)
dimana: qr : laju perpindahan panas (W) : konstanta Stefan Boltzman, 5.667 x 10-8 W/m2K4
: emisivitas bahan (hitam = 1)
12 2.7 Dasar-dasar Simulasi
Menurut Syamsa (2003), simulasi komputer adalah usaha mengeksplorasi model-model matematika dari suatu proses atau fenomena fisik dengan menggunakan komputer dalam rangka memberikan gambaran situasi nyata dengan sebagian besar rinciannya. Sedangkan simulasi proses adalah penggunaan model matematika untuk menggambarkan secara realistik perilaku nyata dari system dengan mengukur tanggap dinamik variable- variabel proses yang dipantau, misalnya temperatur, tekanan, dan komposisi bahan. Dengan memanipulasi atau bekerja dengan model diharapkan :
1. Dapat meramalkan hasil atau keluaran.
2. Lebih memahami model fisik dan matematika dari fenomena dan proses.
3. Bereksperimen dengan model.
4. Melalukan pengujian dengan model.
5. Menggunakan model untuk tujuan penelitian dan pelatihan.
Secara garis besar, simulasi proses dapat dikategorikan menjadi dua kategori berdasarkan kondisinya yaitu simulasi pada keadaan tunak dan simulasi dalam keadaan dinamis (Syamsa, 2003). Simulasi keadaan tunak biasanya terdiri dari sejumlah persamaan aljabar yang diselesaikan secara iterasi, misalnya untuk menghitung kalkulasi panas dan keseimbangan dari suatu proses dibawah kondisi keadaan tunak yang berubah-ubah. Program simulasi keadaan tunak umum digunakan dalam proses industri seperti pengukuran boiler dan peralatan turbin untuk laju panas tertentu. Sedangkan simulasi keadaan dinamis tidak hanya memeperhatikan kalkulasi panas dan keseimbangan bahan dalam keadaan tunak, tetapi juga kondisi transien dari perubahan proses. Simulasi dilakukan dengan menyelesaikan persamaan- persaman diferensial non-linier berjumlah besar dalam waktu nyata, untuk menggambarkan keseimbangan dinamik bahan dan energi dari proses yang disimulasikan. Laju akumulasi masa dan energi dihitung secara kontinyu dan diintegrasikan sepanjang interval waktu yang relatif kecil, yaitu untuk menghasilkan proses tiruan dari tanggap dinamik yang realistik seperti temperatur, tekanan, dan komposisi bahan.
13 2.8 Metode Komputasi Dinamika Fluida
Computational Fluid Dynamics (CFD) merupakan pemanfaatan program komputer untuk membuat suatu prediksi apa yang terjadi secara kuantitaif pada saat fluida mengalir. Dengan menggunakan CFD presiksi aliran fluida pada berbagai sistem dapat dilakukan dengan biaya yang relatif murah dan waktu yang singkat dibanding dengan metode eksperimen (Nugraha, 2005).
Secara istilah CFD merupakan suatu teknologi komputasi yang memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat-zat yang mengalir. Menurut Zhang (2005), pada dasarnya persamaan-persamaan fluida dibangun dan dianalisis berdasarkan persamaan-persamaan parsial (PDE= Partial Differential Equation) yang merepresentasikan hukum-hukum konservasi massa, momentum, dan energi.
Untuk memprediksi aliran fluida pada kondisi tertentu, program CFD harus dapat menyelesaikan persamaan-persamaan yang menerangkan peristiwa aliran-aliran fluida. Dengan demikian pemahaman tentang sifat-sifat dasar aliran fluida sangatlah penting. Persamaan-persamaan yang menerangkan peristiwa aliran fluida berbentuk persamaan diferensial parsial.
Program komputer tidak langsung dapat digunakan untuk menyelesaikan persamaan tersebut secara langsung. Oleh karena itu, persamaan diferensial ini ditransformasikan kedalam persamaan aljabar yang sederhana dan disebut dengan metode diskritisasi (Versteeg dan Malalasekera, 1995).
Secara umum, proses dalam CFD dibagi dalam tiga tahapan yaitu prapemrosesan (pre-processing), pencarian solusi (solving), dan pascapemrosesan (post-processing) (Purbaya dan Asmara, 2003).
1. Prapemrosesan
Menurut Tuakia (2008), tahapan ini merupakan langkah pertama dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD. Prapemrosesan terdiri dari 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. Hal-hal yang dilakukan pada tahap ini meliputi :
14 - Penurunan definisi geometri dari daerah yang dianalisis.
- Pembentukan grid.
- Pemilihan fenomena fisik dan kimia yang terjadi.
- Penentuan sifat-sifat fluida (konduktivitas, viskositas, massa jenis, panas jenis dan sebagainya).
- Penentuan kondisi batas yang sesuai agar memudahkan dalam menganalisis.
Pemecahan masalah aliran (kecepatan, tekanan, temperatur, dan lain- lain) didefinisikan pada titik (nodal) didalam tiga sel. Ketepatan CFD dibentuk oleh sejumlah sel dalam grid. Secara umum, semakin besar jumlah sel, ketelitian hasil pemecahan semakin baik. Mesh optimal tidak harus selalu seragam, semakin halus pada bagian yang memiliki varisai cukup besar dan semakin kasar untuk bagian yang relatif tidak banyak perubahan (Tuakia, 2008).
2. Pencarian Solusi
Setelah geometri masalah didefininisikan secara numerik melalui grid-grid, tahap selanjutnya adalah pencarian solusi. Pada tahap ini persamaan-persamaan matematika yang digunakan untuk memodelkan aliran didiskritasasi untuk masing-masing grid dan dicari solusinya.
Persamaan atur yang digunakan dalam CFD tergantung dari permasalahan yang akan dimodelkan (Purbaya dan Asmara, 2003).
Proses pencarian solusi dilakukan dengan menggunakan metode finite volume, dimana metode ini dikembangkan dari finite difference khusus (Tuakia, 2008). Algoritma numerik metoda ini terdiri dari beberapa tahap, yaitu :
- Aproksimasi variabel aliran yang tidak diketahui dengan menggunakan fungsi sederhana.
- Diskritisasi dengan mensubsitusi hasil aproksimasi ke dalam aliran dan memanipulasi matematika berikutnya.
- Penyelesaian persamaan aljabar.
15 3. Pasca-pemrosesan
Tahap terakhir dari simulasi menggunakan CFD adalah pasca- pemrosesan. Pada tahap ini semua solusi dari parameter aliran yang telah diperoleh untuk setiap grid yang disajikan melalui visualisasi. Visualisasi solusi ini bertujuan untuk mempermudah memahami solusi yang dihasilkan oleh software CFD (Purbaya dan Asmara, 2003).
16
BAB 3. METODOLOGI
3.1 Tempat dan Waktu Pelaksanaan
Penelitian ini dilakukan di dalam rumah tanaman yang berada di Laboratorium Lapang Leuwikopo, Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Pelaksanaan penelitian dilakukan pada bulan Oktober 2009 hingga November 2009.
3.2 Bahan dan Alat
Fasilitas yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
3.2.1 Rumah tanaman
Rumah tanaman berfungsi untuk melindungi tanaman dari faktor- faktor lingkungan yang tidak menguntungkan. Rumah tanaman yang digunakan berukuran 6 m x 12 m yang dibangun membujur ke arah utara-selatan dengan bahan konstruksi besi. Atap rumah tanaman menggunakan bahan plastik PVC transparan 0.02 mm dan dindingnya terbuat dari kasa kawat dengan lubang 1 mm2. Lantai rumah tanaman dilapisi semen dengan pondasi setempat sedalam 50 cm.
3.2.2 Bedeng tanaman
Bedeng tanaman berfungsi untuk menempatkan tanaman dan mengalirkan larutan nutrisi. Bedeng tanaman dibuat dari bahan kayu lapis dengan tebal 1 cm dengan panjang bedeng 9 m dan lebar bedeng 28 cm. Bagian dasar bedeng dilapisi dengan plastik polyethilene hitam.
Dinding bedeng dibuat dari kayu lapis dengan ketinggian 10 cm.
3.2.3 Penyangga bedeng
Kerangka penyangga bedeng yang digunakan dibuat dari pipa galvanis ¾ inchi yang dirangkaikan sedemikian rupa sehingga bedeng yang ditempatkan berada pada kemiringan dari hulu ke hilir sebesar 3%. Pipa galvanis yang digunakan sebagai kaki penyangga ditanam pada pondasi yang terbuat dari beton bertulang.
17 3.2.4 Tangki larutan nutrisi
Tangki ini digunakan untuk menampung larutan nutrisi yang siap pakai dan siap disirkulasikan. Volume tangki larutan nutrisi yang digunakan adalah 50 L.
3.2.5 Saluran/pipa larutan nutrisi
Pipa larutan nutrisi digunakan untuk mengalirkan larutan nutrisi dari tangki larutan ke bedeng tanaman. Pipa larutan nutrisi dibuat dari bahan PVC ¾ inchi sepanjang 9 m.
3.2.6 Pompa air
Pompa air berfungsi untuk mendorong larutan nutrisi dari tangki ke bedeng tanaman secara terus menerus. Pompa air yang digunakan memiliki daya sebesar 125 W.
3.2.7 Recorder
Recorder Yokogawa AW 1000 digunakan untuk mencatat temperatur pada titik-titik pengukuran tertentu yang dihubungkan dengan termokopel. Recorder tersebut dapat mencatat temperatur dari 24 titik pengukuran secara bersamaan.
Gambar 1. Pompa air
Gambar 2. Recorder Yokogawa AW 1000
18 3.2.8 Program CFD
Program CFD digunakan untuk menganalisis aliran fluida dengan simulasi komputer. Program ini terdiri dari 2 software yang diintegrasikan menjadi satu yaitu software Flow Simulation 2009 yang menggambarkan geometri bidang aliran fluida dan Flow Simulation yang akan mensimulasikan aliran fluida tersebut dengan berbagai parameter yang telah ditentukan. Karena dalam software ini telah diintegrasikan antara penggambaran geometri dan perangkat untuk menganalisa kasus aliran fluida tersebut, sehingga dapat memvisualisasikan distribusi aliran fluida secara numerik.
Prinsip kerja perhitungan yang dilakukan oleh software ini berdasarkan metode finite volume dengan mengintegrasikan persamaan model Navier-Stokes sebagai dasar perhitungan kasus mekanika fluida yang akan dianalisis. Pendekatan numerik dengan model ini dianggap paling otentik diantara model perhitungan mekanika fluida yang lainnya.
3.2.9 Personal Computer (PC)
PC yang dipergunakan untuk proses simulasi menggunakan CFD memiliki spesifikasi Pentium IV, RAM 1 GB. Adapun spesifikasi lain dari PC yang dapat digunakan ialah PC yang memiliki kemampuan yang lebih dari spesifikasi yang digunakan oleh penulis.
3.2.10 Peralatan lain
Peralatan lain yang digunakan adalah EC meter, termometer air raksa, meteran, gelas ukur, wadah larutan stok. Bahan yang akan digunakan dalam penelitian ini berupa nutrisi AB MIX, air, plastik mulsa, styrofoam sebagai bahan isolator, dan lain-lain.
3.3 Metode Penelitian 3.3.1 Persiapan penelitian
Persiapan penelitian meliputi kegiatan pembersihan rumah tanaman, pembuatan bedeng tanaman, persiapan peralatan dan penyediaan bahan. Persiapan sebelum tanam meliputi penempatan
19 bedeng-bedeng tanaman, media tanam, dan penyiapan sistem sirkulasi larutan nutrisi.
3.3.2 Perlakuan penelitian
Bedeng tanaman tomat terbuat dari kayu dan diberi lapisan plastik hitam dan ditutup dengan styrofoam.
3.3.3 Pengamatan dan Pengukuran
Pengamatan dilakukan tiap hari selama proses pengembilan data berlangsung selama tiga hari. Parameter yang diukur meliputi temperatur larutan nutrisi pada tangki, temperatur bedeng tanaman, dan temperatur lingkungan di dalam. Pengukuran data tersebut dilakukan secara bersamaan setiap 30 menit sekali. Data-data tersebut merupakan hasil pengukuran selama tiga hari berturut-turut.
Pengukuran temperatur larutan nutrisi bedeng tanaman dilakukan pada bedeng bagian dalam yang berhubungan langsung dengan larutan nutrisi. Pengukuran dilakukan pada 4 titik pengukuran yaitu pada inlet, 0,5 m dari inlet, outlet (9 m dari inlet), dan titik tengah antara inlet dan outlet (4.5 m dari inlet/outlet). Titik pengukuran pada inlet bedeng dianggap sama dengan titik outlet pipa. Pengukuran dilakukan pada masing-masing pipa dan bedeng tanaman.
Pencatatan data temperatur dilakukan pada masing-masing pipa dan bedeng dengan menggunakan hybrid recorder yang dihubungkan pada titik pengukuran dengan menggunakan termokopel. Pencatatan data dilakukan selama 24 jam per 30 menit.
Hasil pengamatan mengenai distribusi temperatur memberikan gambaran mengenai temperatur larutan nutrisi yang terjadi di sekitar daerah perakaran tanaman. Skema titik-titik pengukuran temperatur larutan nutrisi dan lingkungan sekitar ditunjukkan pada Gambar 3 dan 4.
21 Keterangan gambar:
Bedeng I = perlakuan tanpa pendinginan (kontrol)
1 = titik pengukuran temperatur larutan nutrisi dalam tangki 2 = titik pengukuran temperatur larutan nutrisi di inlet pipa 3-6 = titik pengukuran temperatur larutan nutrisi dalam bedeng
Gradien temperatur dalam sistem menyebabkan perubahan temperatur larutan nutrisi selama interval waktu pengukuran. Fluktuasi temperatur larutan nutrisi ini dipengaruhi oleh proses-proses perpindahan panas.
Analisis pindah panas yang terjadi dalam sistem secara umum antara lain pindah panas secara konveksi dari fluida ke bahan penutup, dan secara konduksi dari pertukaran energi antar medium-medium berlainan yang bersinggungan secara langsung dan berbeda temperatur.
Dengan asumsi-asumsi bahwa temperatur larutan nutrisi merupakan temperatur air yang seragam pada setiap titik serta larutan nutrisi dianggap berada dalam ruang yang tertutup rapat.
Gambar 5 adalah skema proses pindah panas yang terjadi pada bedeng terjadi secara vertikal dari atas dan dari bawah. Temperatur udara di dalam rumah tanaman dianggap seragam.
Untuk mengetahui pindah panas yang terjadi pada bedeng tanaman, dapat menggunakan rumus berdasarkan pindah panas konveksi dan konduksi yang terjadi dari udara ke air melewati styrofoam dan pindah panas secara konveksi dan konduksi dari udara ke
Gambar 4. Skema pindah panas pada bedeng
Plastik hitam
Qtriplek + QPlastik TbBedeng
Udara Tu
Ts Styrofoam
Air T Tud
K. Lapis
QSty
22 air melewati bedeng triplek dan plastik. Sifat-sifat udara dan air dapat dilihat dari tabel A-15 dan A-9 (Cengel, 2007). Adapun persamaan yang digunakan sebagai berikut:
Dari atas bedeng:
a ud sty
sty
u k h h
x h
U
1 1 1
1 ... (10)
Dari kiri, kanan, dan bawah bedeng:
a plastik
plastik triplek
triplek
u k h
x k
x h U
1 1
1 ... (11)
Keterangan:
hu : koefisien konveksi udara dalam rumah tanaman (W/m2. C)
hud : koefisien konveksi udara dalam bedeng (W/m2. C) xsty : tebal styrofoam (m)
ksty : konduktivitas termal styrofoam (W/m. C)
triplek
x : tebal kayu lapis (m)
ktriplek : konduktivitas termal kayu lapis (W/m. C)
plastik
x : tebal plastik (m)
kplastik : konduktivitas termal plastik (W/m oC) ha : koefisien konveksi air (W/m2. C)
Berdasarkan kesetimbangan panas larutan nutrisi, maka akan diperoleh nilai penyerapan kalor oleh larutan nutrisi pada masing- masing pipa dan masing-masing bedeng tanaman.
3.3.4 Pensimulasian dengan CFD
Pensimulasian dengan CFD dilakukan setelah semua data hasil pengukuran di lapangan dihitung. Setelah semua data telah selesai dihitung, model untuk simulasi dibuat berdasarkan data diperoleh dari lapangan, adapun model tersebut ialah bedeng tanaman berbentuk balok berporos. Model bedeng tanaman dibuat dengan menggunakan software Solidwork 2009 yang telah di-install di dalam PC. Ukuran dari model
23 bedeng yang dibuat dengan software Solidwork 2009 ialah panjang 8.5 m, lebar 0.26 m, dan tinggi bedeng 0.004 m, serta kemiringan 1.6o dari dasar outlet. Berikut gambar model yang telah dibuat dengan software tersebut.
Setelah model bedeng tanaman selesai dibuat, langkah berikutnya ialah mendefinisikan semua kejadian fisik dan kimia yang terjadi pada model bedeng tanaman yang sesuai dengan keadaan nyata dan menentukan parameter apa saja yang ingin dihasilkan dari pensimulasian ini . Hal selanjutnya ialah menjalankan proses simulasi dengan memulai proses perhitungan yang dilakukan oleh software EFD tersebut atau yang disebut dengan proses running hingga mencapai kondisi konvergen. Langkah terakhir dari pensimulasian ini ialah 4 mm
Outlet m
Inlet
Arah aliran larutan nutrisi
Barat Timur
26 cm
8.5 m
Gambar 5. Model bedeng tanaman untuk simulasi 1.6o
24 melihat hasil pensimulasian yang telah ditentukan di langkah pertama tadi. Dengan hasil tersebut kita dapat memperkirakan hasil pensimulasian tersebut dengan kondisi yang ada di lapangan.
Untuk penelitian ini juga dilakukan pensimulasian model bedeng tanaman dengan melihat hubungan distribusi temperatur larutan nutrisi di dalam bedeng tanaman dengan kemiringan bedeng tanaman. Ada dua skenario pensimulasian yang digunakan selain dari pensimulasian yang telah dilakukan sebelumnya yaitu kemiringan 2o dan kemiringan 3o dari dasar outlet.
3.4 Asumsi-Asumsi yang Digunakan
Asumsi-asumsi yang digunakan dalam penelitian ini meliputi:
1. Temperatur styrofoam yang digunakan sama dengan temperatur udara bedeng.
2. Temperatur dinding kayu lapis yang digunakan sama dengan temperatur larutan nutrisi, hal ini dikarenakan tidak dilakukan pengambilan data temperatur di dinding triplek dan dinding styrofoam.
3. Perpindahan panas yang dihitung terjadi secara konduksi dan konveksi.
4. Pengaruh evaporasi larutan sepanjang bedeng tanaman diabaikan.
5. Pada proses simulasi aliran dianggap seragam, sehingga dari model bedeng tanaman yang dibuat hanya 95% saja yang digunakan ketika proses pensimulasian yaitu sepanjang 8.5 m dikarenakan daerah tersebut dianggap seragam.
6. Faktor hambatan akar tanaman dianggap tidak mempengaruhi aliran nutrisi di dalam bedeng tanaman.
7. Penambahan kemiringan bedeng tanaman tidak mempengaruhi ketebalan larutan nutrisi yang lewat di dalam bedeng tanaman.
25
BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Perubahan Temperatur
4.1.1.Temperatur Udara di Dalam Rumah Tanaman
Temperatur udara di dalam rumah tanaman pada umumnya jauh lebih tinggi dibanding temperatur udara di luar rumah tanaman.
Temperatur udara harian di dalam rumah tanaman yang diukur dengan termokopel selama periode pengambilan data di beberapa titik pengukuran yaitu di atas dan di bawah bedeng tanaman serta di dinding rumah tanaman dapat ditampilkan dalam bentuk grafik di bawah ini.
Hasil pengukuran temperatur udara di dalam rumah tanaman pada fase pembungaan ditunjukkan pada Gambar 6 berikut:
Temperatur udara harian di dalam rumah tanaman berkisar antara 23.9 oC hingga 37.5 oC dan memiliki rata-rata 28.4 oC. Nilai temperatur ini dapat dikatakan cukup tinggi bila dibandingkan dengan temperatur udara di luar rumah tanaman pada saat yang sama. Temperatur udara di dalam rumah tanaman pada fase pembuahan berkisar antara 23.0 oC hingga 34.4 oC dan rata-rata harian 26.8 oC. Perubahan temperatur udara di dalam rumah tanaman pada fase pembuahan disajikan pada Gambar 7. berikut ini:
Gambar 6. Grafik perubahan temperatur udara harian di dalam rumah tanaman (28-29 Oktober 2009).
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0
6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 2:00 4:00 6:00
Temperatur (o C)
Waktu Pengukuran (WIB) T di dalam Rumah Tanaman (oC)
26 Temperatur udara harian di dalam rumah tanaman antara fase pembungaan dan fase pembuhaan berbeda karena dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu tingkat radiasi matahari dan cuaca tiap waktu.
Pada saat penelitian ini berlangsung tingkat radiasi matahari ketika waktu puncak terjadi antara pukul 11:00 hingga pukul 14:00. Radiasi matahari di dalam rumah tanaman memang tidak tinggi apabila dibanding dengan radiasi matahari di luar rumah tanaman karena terhalang oleh atap, namun gelombang pendek yang terjebak di dalam rumah tanaman oleh atap itulah yang kemudian berubah menjadi gelombang panjang yang menyebabkan temperatur udara di dalam rumah tanaman tinggi bahkan lebih tinggi dari temperatur udara di luar rumah tanaman. Namun cuaca di tempat penelitian berlangsung sering berubah dalam waktu yang sangat cepat yang menyebabkan radiasi matahari yang masuk di dalam rumah tanaman menjadi turun seketika pula, hal inilah yang juga menurunkan temperatur udara di dalam rumah tanaman secara tiba-tiba, sehingga terjadi perbedaan yang cukup besar dari ke dua fase tersebut.
Gambar 7. Grafik perubahan temperatur udara harian di dalam rumah tanaman (6-7 November 2009).
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0
9:30 11:30 13:30 15:30 17:30 19:30 21:30 23:30 1:30 3:30 5:30 7:00 9:00
Temperatur (o C)
Waktu Pengukuran (WIB)
T di dalam Rumah Tanaman
27 4.1.2.Temperatur Larutan Nutrisi di Dalam Bedeng Tanaman
Perubahan temperatur larutan nutrisi di sepanjang bedeng tanaman dipengaruhi oleh keadaan lingkungan termal di dalam rumah tanaman dan di sekitar tanaman. Lingkungan luar yang banyak mempengaruhi temperatur larutan nutrisi di dalam tangki dan bedeng tanaman adalah radiasi matahari, temperatur dan kelembaban udara di dalam rumah tanaman. Hasil pengukuran temperatur larutan nutrisi pada fase pembungaan dan pembuahan menunjukkan bahwa temperatur larutan nutrisi di dalam tangki dan di bedeng tanaman berfluktuasi sejalan dengan perubahan parameter lingkungan luar tersebut.
1. Fase Pembungaan
Grafik perubahan temperatur larutan nutrisi di dalam bedeng pada di bedeng I, pada tanggal 28 Oktober 2009 pukul 06:00 WIB hingga 29 Oktober 2009 pukul 06:00 WIB disajikan pada gambar berikut.
Dari Gambar 9. dapat diketahui bahwa pada fase pembungaan distribusi temperatur larutan nutrisi pada bedeng berkisar antara 25.9 oC hingga 35.6 oC dengan rata-rata 29.8 oC.
Gambar 8. Grafik perubahan temperatur larutan nutrisi di dalam bedeng pada bedeng I (28-29 Oktober 2009).
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0
6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 2:00 4:00 6:00
Temperatur (oC)
Waktu (WIB)
T di dalam bedeng
