METODOLOGI PENELITIAN

(1)

METODOLOGI PENELITIAN

Tempat dan Waktu Penelitian

Penelitian ini dilaksanakan pada musim kemarau yaitu bulan Mei sampai Juli 2007 berlokasi di Laboratorium Lapangan Bagian Ternak Perah, Departemen Ilmu Produksi dan Teknologi Peternakan, Fakultas Peternakan, IPB.

Bahan dan Alat Penelitian Bahan

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah kandang sapi perah FH, sapi perah FH, konsentrat, hijauan, air minum, tambang dan bambu. Kandang sapi perah yang digunakan adalah kandang sapi perah FH (heifers) berkapasitas 20 ekor sapi dengan model kandang tail to tail yang memiliki ukuran: panjang 13 m, lebar 6,3 m dan tinggi 5,75 m. Lantai kandang terbuat dari semen beton dengan kemiringan 2%, atap menggunakan asbes, rangka menggunakan besi, tempat pakan dan minum terbuat dari beton. Sapi perah yang digunakan adalah sapi perah peranakan Fries Holland (FH) sebanyak 20 ekor dengan bobot badan berkisar 185 – 645 kg. Kandang dan sapi perah FH yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 4a dan Gambar 4b.

a b

Gambar 4 Kandang sapi perah FH penelitian (a) dan sapi perah FH (b) Peralatan

Peralatan yang digunakan meliputi weather station, termokopel, recorder, anemometer, termometer (bola basah dan bola kering), pyranometer, mistar ukur, timbangan sapi, note book dan personal computer (PC) dengan software autocad 2005, gambit 2.2.30 & fluent 6.2.

(2)

Metode Penelitian

Pengumpulan Data Teknik dan Sifat Termofisik Bahan Penyusun Kandang Data dimensi bangunan (panjang, lebar, tinggi), ukuran ventilasi, atap, bak air minum serta jenis-jenis bahan yang menyusunnya diperoleh dari gambar teknik pelaksanaan pembangunan kandang sapi perah FH yang dibuat pada tanggal 24 Desember 1993. Data jenis bahan penyusun kandang digunakan untuk mengetahui sifat termofisik seperti konduktivitas, massa dan panas jenis bahan.

Kandang sapi perah FH dalam bentuk ortogonal dapat dilihat pada Gambar 5.

Gambar 5 Kandang sapi perah FH (ortogonal) Pengukuran Parameter Iklim Mikro

Parameter iklim mikro yang diukur adalah suhu, kelembaban udara, arah dan kecepatan angin serta radiasi matahari. Parameter iklim mikro di luar kandang diukur menggunakan weather station yang diletakkan 6 m di sebelah kanan kandang, sedangkan di dalam kandang diukur dengan termokopel, termometer (bola basah dan bola kering), recorder dan anemometer. Radiasi matahari yang diukur adalah radiasi matahari sesaat yang diterima oleh atap kandang. Nilai hasil pengukuran weather station terbaca dan tersimpan dalam note book. Pengukuran dilakukan tiap 20 menit. Untuk mengetahui sifat-sifat udara lainnya digunakan kurva psychrometrict.

Termokopel sebagai sensor suhu dipasang sebanyak 32 unit dalam kandang, bahan bangunan kandang, dan sapi dengan rincian sebagai berikut: di atap kanan dan kiri (masing-masing 1 unit), lantai pada kedalaman 0,2 m (2 unit),

U

S U

S

(3)

tembok kanan dan kiri (masing-masing 1 unit), bak air (1 unit), tembok atas (1 unit), di dalam kandang (24 unit) pada ketinggian (sumbu z) 0,6 m, 1,2 m dan 1,6 m. Pada tiap-tiap ketinggian termokopel diletakkan pada arah horizontal (sumbu x) dengan jarak 1,2 dan 3,2 m (tengah kandang), sedangkan pada arah sumbu y, termokopel diletakkan pada jarak 1,6, 2,7, 3,8 dan 6,0 m.

Termokopel dihubungkan dengan recorder untuk menampilkan temperatur yang terukur dan diset pada selang 20 menit untuk setiap kali pengukuran dengan selang pengukuran antara pukul 06.00-18.00. Secara lebih jelas lokasi titik-titik termokopel dalam kandang sapi perah FH dapat dilihat pada Tabel 6 dan bentuk geometri kandang sapi perah FH dapat dilihat pada Gambar 6.

Untuk mengukur kelembaban relatif (RH) udara di dalam dan luar kandang, dipasang termometer (bola basah dan bola kering). Dipasang 4 buah termometer bola basah dan bola kering dalam kandang pada posisi x = 1,2 dan 3,2 m, y = 2,7 dan 3,8, z = 1,6 m. Dipasang juga 1 buah termometer bola basah dan bola kering di luar kandang.

Tabel 6 Lokasi titik-titik pengukuran suhu udara dalam kandang dengan termokopel

X (m) Y (m) Z (m) Unit X (m) Y (m) Z (m) Unit

1,2 1,6 0,6 1 3,2 1,6 1,2 1

1,2 2,7 0,6 1 3,2 2,7 1,2 1

1,2 3,8 0,6 1 3,2 3,8 1,2 1

1,2 6,0 0,6 1 3,2 6,0 1,2 1

3,2 1,6 0,6 1 1,2 1,6 1,6 1

3,2 2,7 0,6 1 1,2 2,7 1,6 1

3,2 3,8 0,6 1 1,2 3,8 1,6 1

3,2 6,0 0,6 1 1,2 6,0 1,6 1

1,2 1,6 1,2 1 3,2 1,6 1,6 1

1,2 2,7 1,2 1 3,2 2,7 1,6 1

1,2 3,8 1,2 1 3,2 3,8 1,6 1

1,2 6,0 1,2 1 3,2 6,0 1,6 1

Jumlah 12 12

(4)

Gambar 6 Bentuk geometri kandang sapi perah FH

Pengukuran Luas Permukaan dan Suhu Kulit Sapi Perah FH

Luas permukaan kulit sapi perah FH sebagai area heat transfer merupakan fungsi dari bobot badan sapi. Semakin besar bobot badan sapi, semakin besar luas permukaan kulitnya dan dapat dirumuskan sebagai berikut (Esmay dan Dixon, 1986):

As = 0,21 W ^0,48 ………..…...……… (25) Suhu kulit sapi diukur menggunakan termokopel di empat tempat pengukuran pada tiap sapi FH, yaitu punggung, dada, tungkai atas dan tungkai bawah. Suhu kulit sapi FH dihitung melalui persamaan yang dikembangkan oleh McLean et.al. (1983) sebagai berikut :

mTs = 0,25 (a + b) + 0,32 c + 0,18 d ……….... (26) Simulasi

Simulasi menggunakan CFD dilakukan dengan cara mengubah-ubah dimensi kandang sapi perah FH seperti lebar kandang, ketinggian kandang, bukaan ventilasi kandang (tinggi dinding kandang), posisi bak air. Simulasi dilakukan pada saat cuaca cerah di musim kemarau (16 Juni 2007) pada siang hari (pukul 13:00 WIB) dimana pada waktu tersebut radiasi matahari dan suhu udara lingkungan mencapai puncaknya sehingga menjadi situasi yang kritis bagi sapi

1

Depan Belakang

Kiri Kanan

Tembok kanan

Tembok kiri 1

1 1

Penampung air Inlet

Outlet

Outlet Inlet

x

z y

(0,0,0) 1

Depan Belakang

Kiri Kanan

Tembok kanan

Tembok kiri 1

1 1

Penampung air Inlet

Outlet

Outlet Inlet

x

z y

(0,0,0) x

z y

(0,0,0)

(5)

perah FH. Untuk membandingkan hasil simulasi disain dengan kondisi awal kandang, simulasi dilakukan juga pada kondisi kandang asli dengan dimensi:

panjang 10 m, lebar 6,3 m, tinggi kandang 5,75 m, dinding kanan dan kiri 1,05 m dan pada bagian depan dan belakang kandang masing-masing terdapat penampungan air dengan tinggi 1,05 dan lebar 2,15 m. Skenario yang digunakan dalam simulasi adalah sebagai berikut : 1) simulasi melibatkan 20 ekor sapi perah FH yang diletakkan secara proporsi dalam kandang ; 2) penampung air ditiadakan dari posisi awal; 3) dinding kanan dan kiri diturunkan menjadi 0,4 m; 4) tinggi atap diturunkan 0,5 m, tetap dan dinaikkan 0,5 m (T1=5,25 m; T2=5,75 m dan T3=6,25 m); 5) lebar kandang tetap, dinaikkan 1 dan 2 m (L1=6,3 m; L2=7,3 m dan L3=8,3 m) sehingga terdapat 9 (sembilan) disain kandang simulasi. Tujuan diturunkan dan dinaikkan tinggi dan lebar kandang dari kondisi awal adalah untuk melihat kecenderungan (fenomena) distribusi suhu dalam kandang yang dikaitkan dengan luas bukaan ventilasi. Semakin tinggi dan semakin lebar, maka luas bukaan ventilasi kandang akan semakin besar. Pada panjang kandang (10 m) tidak dilakukan simulasi (dinaikkan atau diturunkan) karena berkaitan dengan perhitungan koefisien teknis ukuran sapi perah agar beraktivitas secara efisien dan produktif di dalam kandang.

Hasil simulasi akan ditampilkan dalam bentuk grafik 3 dimensi (distribusi suhu), kemudian dibandingkan untuk mendapatkan distribusi suhu yang paling baik bagi sapi perah FH. Diagram alir proses penyelesaian masalah dengan CFD untuk simulasi ini dapat dilihat pada Gambar 7.

Asumsi yang digunakan dalam simulasi menggunakan CFD adalah sebagai berikut:

Udara bergerak dalam kondisi steady.

Aliran udara dianggap laminer dengan nilai Re < 500.000 (Cengel, 2003) dimana

µ vDρ

Re= ... (27)

Udara tidak terkompresi (incompressible), ρ konstan.

Panas jenis, konduktivitas dan viskositas udara konstan (bilangan Prandtl udara konstan).

Udara lingkungan dianggap konstan selama simulasi.

(6)

Gambar 7 Diagram alir proses penyelesaian masalah simulasi kandang sapi perah FH menggunakan teknik CFD

Validasi Model Simulasi

Validasi dilakukan untuk membandingkan hasil pengukuran dengan hasil perhitungan (suhu) pada titik-titik tertentu yang diinginkan. Kriteria validasi distribusi suhu dan kelembaban udara dalam kandang pada ketinggian 0,6, 1,2 dan 1,6 dianalisa dengan metode curve fitting, standar deviasi dan besarnya error antara hasil pengukuran dengan hasil simulasi. Besarnya error dihitung dengan persamaan (28).



 











 −

= 100%

(%) x

p u

Error p ... (28)

Pendefinisian boundary

Pembuatan grid dengan interval tertentu (meshing)

Mendefinisikan :

- Model 2D atau 3D, pemakaian energi , viscous model ( laminer/turbulen ) - Menentukan jenis , material dan

sifat termofisik fluida

- Menentukan kondisi operasi yang terlibat - Memasukkan nilai Boundary Condition

Hasil :

- Tampilan grid, kontur dan vektor (suhu , RH, kec . udara )

- XY plot, histogram, residual FLUENT 6.2

Mendefinisikan :

Inisialisasi

Hasil :

- XY plot, histogram, residual GAMBIT 2.2.30

Iterasi

Selesai

Pembentukan geometri dasar AUTOCAD 2005

Mulai

Pendefinisian boundary

Pembuatan grid dengan interval tertentu (meshing)

Mendefinisikan :

Hasil :

- XY plot, histogram, residual FLUENT 6.2

Mendefinisikan :

Inisialisasi

Hasil :

- XY plot, histogram, residual GAMBIT 2.2.30

Iterasi

Selesai

Pembentukan geometri dasar AUTOCAD 2005

Mulai