Input hasil validasi
Simulasi jarak antar nozzle 30 cm Simulasi jarak antar nozzle 40 cm
Simulasi jarak antar nozzle 50 cm
Empat buah nozzle jet spray Tiga buah nozzle jet spray
Dua buah nozzle jet spray
Pemilihan Jarak antar nozzle optimum
Gambar 12. Diagram skematik penentuan pemilihan jarak antar nozzle optimum
3.3.1 Persiapan penelitian
Kegiatan persiapan dilakukan agar proses penelitian berjalan lancar. Kegiatan awal meliputi persiapan alat, bahan dan lahan, sterilisasi chamber, sterilisasi pipa PE, pengecekan
nozzle, persiapan pupuk A dan B. Sebelum dilakukan tahapan penelitian, dilakukan perhitungan jarak antar nozzle yang akan digunakan sebagai kontrol simulasi. Jarak tersebut
adalah 40 cm dengan ukuran chamber 1.5 m x 1 m x 0.3 m sehingga terdapat tiga nozzle yang akan digunakan sebagai kontrol simulasi.
Pengukuran suhu larutan nutrisi sepanjang pipa PE dan suhu pada titik pengukuran dilakukan dengan menggunakan termokopel yang dihubungkan dengan Hybrid recorder.
Skema titik pengukuran di dalam chamber dengan keterangan gambar terlampir lampiran 1 diperlihatkan pada Gambar 13.
15 cm 15 cm
cm 40
cm 40 cm
40 cm
30 cm
Gambar 13. Skema posisi pengukuran di dalam chamber Tahap penelitian selanjutnya adalah pengukuran nilai keseragaman penyemprotan
meliputi pengukuran spesifikasi nozzle dan pipa PE, pengukuran tekanan inlet di pompa dan outlet di setiap nozzle, pengukuran debit penyemprotan larutan nutrisi di setiap nozzle,
18
kemudian dilakukan perhitungan konduktivitas panas yang terjadi di dalam chamber serta pipa PE.
3.3.2 Pengukuran nilai keseragaman penyemprotan
1. Pengukuran spesifikasi
nozzle dan Pipa PE
Nozzle dan pipa PE adalah komponen dari rangkaian instalasi aeroponik. Kedua komponen ini merupakan komponen utama sebagai penentu keseragaman penyemprotan
larutan nutrisi.
Metode awal
yang dilakukan
untuk mengukur
nilai keseragaman
penyemprotan adalah pengukuran spesifikasi nozzle dan pipa PE dengan menggunakan penggaris. Pengukuran spesifikasi untuk pipa meliputi diameter luar pipa, diameter dalam
pipa, panjang pipa serta dilakukan perhitungan luas penampang pipa tersebut. Pengukuran spesifikasi untuk nozzle meliputi diameter lubang atas nozzle, diameter lubang bawah nozzle,
panjang nozzle serta perhitungan luas penampang lubang outlet nozzle tersebut.
2. Pengukuran tekanan
Salah satu faktor utama dalam perancangan instalasi aeroponik adalah tekanan yang dihasilkan oleh pompa. Pompa yang digunakan selama penelitian adalah pompa bertekanan
maksimal 100 psi atau setara dengan 6.8 atm. Pengukuran tekanan dilakukan dengan menggunakan pressure gauge yang tertera pada pompa untuk mengalirkan larutan nutrisi
dari tangki menuju pipa PE. Setelah dilakukan pengamatan nilai tekanan yang digunakan pada pompa maka untuk mengetahui nilai tekanan setiap nozzle pada pipa PE tersebut
dilakukan perhitungan menggunakan persamaan penurunan tekanan.
3. Pengukuran debit dan kecepatan aliran
Pengukuran debit dilakukan untuk mengetahui keseragaman
kecepatan aliran penyemprotan pada setiap nozzle. Pengukuran debit dilakukan secara langsung dengan
langkah awal melakukan pengukuran volume penyemprotan yang dihasilkan pada setiap nozzle dengan menggunakan gelas ukur dan stopwatch. Dari pengukuran volume dan waktu
tersebut diketahui nilai debit dengan persamaan …………………………………….. 2
Q = Debit m
3
s v = Volume air yang dimasukkan ke dalam gelas ukur selama t detik m
3
t = Waktu yang dibutuhkan untuk memasukkan air menit
Perhitungan kecepatan aliran pada setiap nozzle dengan menggunakan persamaan 3.
Q=vxA ………………………………………. 3
Dimana Q = Debit aliran m
3
s v = Kecepatan aliran msA = Luas penampang atas nozzle m
A = Luas penampang nozzle m
2
19
4. Pengukuran suhu
Pengukuran suhu dilakukan pada chamber aeroponik sesuai dengan titik pengukuran. Pengukuran tersebut bertujuan untuk mengetahui sebaran suhu yang terjadi di dalam
chamber pada saat penyemprotan sehingga diketahui kelayakan chamber tersebut untuk digunakan sebagai ruang tanam. Pengukuran suhu dilakukan hanya 30 cm di atas pipa
PE atau hanya bagian atas chamber. Perubahan suhu larutan nutrisi sepanjang pipa PE sangat dipengaruhi oleh kondisi
lingkungan. Lingkungan yang dimaksud adalah suhu pipa dan suhu udara di dalam chamber. Larutan nutrisi yang dialirkan dalam pipa akan menyerap panas dari pipa yang
disebabkan adanya perbedaan suhu antara larutan nutrisi dengan dinding pipa. Pengukuran suhu dilakukan pada 18 titik yang terdistribusi di dalam chamber dan
sepanjang pipa PE. Sistem Aeroponik memilliki siklus pada saat penyemprotan berlangsung dan pada saat tidak terjadi penyemprotan. Pengukuran dan simulasi suhu
hanya dilakukan pada saat penyemprotan berlangsung karena skala waktu pada saat tidak terjadi penyemprotan sangat pendek yaitu berkisar antara 2 hingga 5 menit
sehingga diasumsikan suhu tidak mengalami perubahan yang fluktuatif. Pengukuran dilakukan selama empat hari yaitu pada 29 Maret 2012, 30 Maret
2012, 12 April 2012 dan 13 April 2012 pukul 06.00 – 18.00 WIB dengan tujuan untuk mencari suhu yang seragam pada setiap titiknya. Pada saat pengukuran selama empat
hari tersebut tidak ada pengubahan perlakuan suhu, hanya terjadi perubahan kondisi cuaca dari keempat hari tersebut yaitu kondisi cerah, berawan, mendung dan hujan.
3.3.3 Pengamatan dan perhitungan konduktivitas panas
Proses perpindahan panas yang terjadi adalah konduksi dan konveksi paksa. Peristiwa konduksi terjadi karena pertukaran energi antar medium-medium berlainan yang
bersinggungan secara langsung dan berbeda suhu, yaitu antara dinding chamber atas dengan pipa dan peristiwa konveksi paksa terjadi antara pipa dengan air yang disebabkan oleh
gerakan mencampur antara zat padat dan zat cair oleh pompa. Untuk mengetahui nilai pindah panas dari sistem tersebut dapat dihitung dengan mencari nilai bilangan nusselt dengan
persamaan aliran laminar pipa pendek sebagai berikut : Nu = 0.023Re
0.8
Pr
0.4
…………………………………................. 8
Kemudian dari persamaan tersebut dilakukan perhitungan terhadap nilai konveksi dengan persamaan sebagai berikut :
Q” = h T
p
- T
b
………………………………………………….. 5 3.3.4
Simulasi dengan CFD
Simulasi digunakan
untuk menduga
sebaran suhu
di dalam
chamber dan
keseragaman larutan nutrisi pada saat penyemprotan berlangsung. Dari hasil simulasi tersebut akan diketahui keefektifan jarak antar nozzle dan pipa untuk memperoleh
20
keseragaman penyemprotan larutan nutrisi sehingga pemilihan jarak antar nozzle yang tepat dapat dilakukan.
Metode awal yang digunakan dalam simulasi CFD menggunakan Solidwork adalah pembuatan model 3D yang akan digunakan yaitu chamber dengan tinggi 30 cm, pipa dan
nozzle yang sesuai dengan spesifikasi dan material properties keadaan sebenarnya. Penentuan Boundary Condition yaitu dari ujung hulu pipa PE inlet ke ujung hilir PE
outlet, sebaran penyemprotan larutan nutrisi dari nozzle, dan ruas dinding yang berdekatan dengan sebaran penyemprotan larutan nutrisi tersebut yaitu
30 cm di atas pipa PE. Input yang digunakan adalah parameter yang telah dihitung yaitu debit, tekanan, suhu inlet yaitu
suhu awal larutan nutrisi melalui pipa PE dan suhu outlet yaitu suhu ujung nozzle dimana larutan nutrisi mulai disemprotkan. Sedangkan output yang diharapkan dari simulasi adalah
sebaran panjang penyemprotan turbulence length, nilai tekanan, nilai kecepatan aliran dan suhu di dalam chamber. Tahap selanjutnya adalah validasi hasil simulasi terhadap hasil
pengukuran dari perhitungan dari persamaan-persamaan yang telah dijelaskan. Tahap dari proses simulasi CFD dapat dilihat pada skema di Gambar 14.
Mulai Pembentukan geometri
dan meshing Pendefinisian material
Pengecekan geometri Tidak
Pengecekan Geometri
baik Ya
Tidak Ya
Penentuan general setting
Penentuan computational domain, boundary condition, dan goals
Proses numerik solver
Iterasi error?
Plot kontur distribusi suhu Selesai
Gambar 14. Skema tahapan simulasi Computational Fluid Dynamic CFD 21
Simulasi dilakukan secara internal sehingga letak computational domain berada di dalam chamber aeroponik. Geometri yang dibuat tidak tepat berada pada titik 0 ,0 ,0 m karena geometri
tersebut merupakan hasil assembly dari part pipa PE, chamber dan nozzle. Penjelasan mengenai letak Computational domain instalasi Aeroponik dapat dilihat pada tabel berikut :
Tabel 3. Computational domain instalasi aeroponik Computational
Domain Jarak antar
nozzle 30 cm Jarak antar
nozzle 40 cm Jarak antar
nozzle 50 cm X
min
-0.123 m -0.427 m
-0.489 m X
max
1.367 m 0.534 m
0.476 m Y
min
0.136 m -0.03 m
0.273 m Y
max
0.407 m 0.241 m
0.552 m Z
min
-0.958 m -0.764 m
-0.190 m Z
max
0.002 m 0.729 M
1.300 M
3.3.4.1 Input simulasi dan analisa pengaruh jarak antar nozzle terhadap keseragaman suhu,
kecepatan, dan tekanan pada saat penyemprotan
Pengukuran suhu pada titik-titik pengukuran di dalam chamber dilakukan selama 4 hari pada pukul 06.00 – 18.00 WIB yaitu pada 29 Maret 2012, 30 Maret 2012, 12 April 2012 dan 13 April 2012.
Waktu pengukuran dilakukan selama empat hari karena sudah cukup memperoleh data yang mewakili pada saat hujan, berawan dan cerah. Data yang digunakan untuk simulasi adalah data titik inlet dan
outlet saja sedangkan data titik-titik lainnya digunakan sebagai data validasi sebaran suhunya. Data inlet dan outlet yang digunakan untuk simulasi adalah pada saat suhu mengalami titik ekstrim atas
maksimum dan titik ekstrim bawah minimum selama empat hari waktu pengukuran. Titik ekstrim tersebut karena faktor cuaca seperti hujan dan cerah.
Pengukuran kecepatan aliran dan tekanan pada ketiga nozzle di dalam chamber dilakukan selama dua hari yaitu pada 12 April 2012 dan 13 April 2012. Perbedaan dari kedua waktu
pengambilan data tersebut adalah pengaturan nilai tekanan pompa. Pada 12 April 2012 tekanan pompa yang digunakan adalah 2.04 atm sedangkan pada 13 April 2012 tekanan pompa yang digunakan
adalah 2.38 atm. Nilai tekanan yang digunakan sebagai input adalah 2.04 atm karena nilai tersebut yang digunakan pompa untuk kegiatan rutin budidaya aeroponik selama penelitian.
Simulasi yang dilakukan adalah simulasi dengan tipe internal sehingga distribusi suhu, kecepatan aliran penyemprotan dan tekanan yang ditunjukkan hanya di dalam chamber dan tidak
dipengaruhi oleh kondisi iklim lingkungan luar. Material properties merupakan salah satu nilai input dalam simulasi CFD. Beberapa material properties dalam peralatan instalasi aeroponik adalah sebagai
berikut :
22
Tabel 4. Material properties perlengkapan instalasi aeroponik
Sumber : = Engineerng database di solidwork software
= perhitungan manual berdasarkan suhu = Henkel Pense
Input boundary condition yang digunakan untuk memperoleh hasil simulasi adalah velocity inlet, static pressure setiap nozzle sebagai outlet, dan environment pressure sebagai kondisi tekanan di
dalam chamber. Initial condition pada pengkondisian simulasi adalah sama untuk semua pengaturan jarak antar nozzle yaitu suhu ruangan sebesar 28
o
C dengan tekanan di dalam ruangan 1 atm. Nilai tersebut adalah kondisi normal suatu iklim lingkungan tanpa adanya perlakuan. Output yang
dihasilkan dari simulasi adalah distribusi suhu, tekanan, kecepatan aliran penyemprotan dan panjang aliran penyemprotan Turbulence length. Analisis aliran sesuai dengan perhitungan yaitu aliran
turbulen karena bilangan Re 2000 dan tekanan pompa yang cukup tinggi sehingga menyebabkan aliran terdistribusi cepat secara turbulen di dalam pipa hingga pada saat penyemprotan berlangsung.
Jarak antar nozzle yang digunakan sebagai simulasi terdiri dari jarak antar nozzle 30 cm yang terdiri dari empat buah nozzle, 40 cm yang terdiri dari tiga buah nozzle dan 50 cm yang terdiri dari
dua buah nozzle dengan dimensi panjang pipa PE untuk ketiga jarak tersebut sama yaitu 1.5 m. Instalasi aeroponik yang digunakan dalam penelitian adalah tiga buah nozzle dengan pipa berukuran
1.5 m. Jarak antar nozzle yang digunakan adalah 40 cm sedangkan jarak 30 cm dan 50 cm hanya diramalkan suhu, tekanan dan kecepatan aliran dengan simulasi. Jarak antar nozzle 40 cm digunakan
sebagai kontrol simulasi, karena pada jarak tersebut dilakukan pengukuran lapang yang dapat digunakan sebagai kontrol validasi untuk jarak antar nozzle 30 cm dan 50 cm. Jenis dan material
nozzle untuk ketiga jarak antar nozzle tersebut adalah sama yaitu jet spray. Identifikasi untuk setiap nozzle adalah nozzle A sebagai nozzle yang berada pada hulu pipa PE atau posisi dekat dengan pompa
sedangkan nozzle yang berada di hilir pipa PE adalah nozzle dengan abjad mengikuti nozzle-nozzle sebelumnya yaitu B, C, dan D.
Arah penyemprotan nozzle untuk jarak 30 cm, 40 cm dan 50 cm masing-masing memiliki perbedaan. Posisi 1 merupakan penempatan posisi nozzle sejajar dengan pipa dan posisi 2 merupakan
penempatan posisi nozzle tegak lurus dengan pipa. Pada jarak 30 cm, arah penyemprotan pada nozzle A dan nozzle B berada di posisi 1 sedangkan arah penyemprotan pada nozzle C dan nozzle D terletak
pada posisi 2. Pada jarak 40 cm, nozzle A, B dan C memiliki posisi outlet nozzle yang sama yaitu berada pada Posisi 2. Sedangkan pada jarak antar nozzle 50 cm, posisi arah penyemprotan pada nozzle
A berada pada posisi 1 dan pada nozzle B berada pada posisi 2. Pengubahan posisi arah penyemprotan nozzle bertujuan mencari keseragaman penyemprotan.
23 Jenis
Instalasi Aeroponik
Material Properties
2
Density kgm Shear
modulus Pa
Tensile Strength Pa
thermal conductivity
wmk Pipa
PE mediun
density 917
59400000 13270000
0.27 Chamber
Kayu meranti
340 -
- 0.043
Nozzle PE high
density 2100
- 2600000
-
18 a
b
Gambar 15 a Posisi 1, Peletakkan nozzle sejajar dengan pipa 15 b Posisi 2, Peletakkan nozzle tegak lurus dengan pipa
Posisi 2
Posisi 1
B A
Gambar 16. Jarak penyemprotan pada jarak antar nozzle 50 cm
Posisi 2
D Posisi
2
C Posisi
1
B Posisi
1
A
Gambar 17. Jarak penyemprotan pada jarak antar nozzle 30 cm
3.4 Asumsi yang digunakan
1. Larutan nutrisi yang disemprotkan adalah butiran air sehingga masih dalam satu fase yaitu zat cair
2. Suhu larutan nutrisi yang dialirkan sama dengan suhu larutan nutrisi di dalam pipa 3. Suhu larutan nutrisi yang disemprotkan sama dengan suhu ujung nozzle
4. Simulasi dilakukan dalam keadaan steady 5. Dinding untuk pemodelan diasumsikan hanya 30 cm di atas pipa PE dan terbuka
6. Larutan nutrisi dan air memiliki sifat fisik yang sama 7. Perpindahan panas konveksi antara udara dan pipa diabaikan
8. Perpindahan panas yang terjadi hanya konveksi paksa antara pipa dan larutan nutrisi 9. Pada simulasi, asumsi jarak yang digunakan untuk perancangan jarak antar dalam chamber
1.5 m adalah 30 cm dengan jumlah empat nozzle, 50 cm dengan jumlah dua nozzle dengan standar jarak untuk validasi adalah 40 cm dengan jumlah tiga nozzle. Ketiga jarak antar
nozzle tersebut dilakukan perbedaan penempatan posisi nozzle di sepanjang pipa PE
24