12 i.
Software “SolidWorks”
Software ini digunakan untuk membangun desain geometri dan melakukan simulasi aliran fluida.
j. Personal Computer PC
PC digunakan sebagai sarana untuk proses simulasi menggunakan program CFD. k.
Peralatan Pendukung Peralatan lain yang digunakan adalah termometer air raksa, meteran, wadah larutan
stok. Bahan yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah nutrisi, air, dan lain-lain.
C. METODE PENELITIAN
a. Persiapan Penelitian
Persiapan penelitian meliputi kegiatan pembersihan rumah tanaman, pembuatan instalasi aeroponik, persiapan peralatan pengukuran, dan penyediaan bahan yang digunakan.
Sebelum dilakukan pengukuran, dilaksanakan pengkondisian sistem agar berada pada kondisi yang sebenarnya.
b. Perlakuan Penelitian
Chamber aeroponik diletakkan di dalam rumah tanaman, kemudian dipasang satu unit irigasi untuk pemberian nutrisi bagi tanaman. Media tanam yang digunakan adalah styrofoam
dan rockwool untuk menyangga tanaman yang diletakkan di atas chamber. Lingkungan luar rumah tanaman dipasang weather station untuk mengetahui parameter lingkungan yang akan
mempengaruhi kondisi rumah tanaman. Lingkungan di dalam rumah tanaman dan instalasi aeroponik dipasang termokopel dan peralatan lainnya untuk mengetahui parameter lingkungan
makro dan mikro yang akan berpengaruh pada tanaman yang akan ditanam.
c. Pengamatan dan Pengukuran
Pengamatan dilakukan setiap hari selama proses pengambilan data berlangsung selama enam hari pada pagi sampai sore hari. Parameter yang diukur meliputi suhu dan kelembaban di
chamber aeroponik, suhu di pipa lateral, tekanan nutrisi yang keluar dari nozzle, kecepatan aliran nutrisi di pipa lateral, suhu di tangki larutan nutrisi, serta suhu, kecepatan angin, dan
radiasi matahari di lingkungan rumah tanaman. Untuk mengukur kelembaban, dipasang termokopel basah di dalam chamber,
sedangkan untuk pengukuran suhu, dipasang termokopel pada chamber seperti pada Lampiran 1, serta untuk pengukuran parameter lingkungan di dalam rumah tanaman dipasang weather
station dan peralatan lainnya.
d. Pengembangan Model Pindah Panas
Asumsi yang digunakan pada penelitian ini adalah proses pindah panas yang terjadi adalah konveksi dan konduksi, sistem dalam keadaan steady, keberadaan tanaman tidak
berpengaruh pada proses pindah panas, suhu larutan nutrisi yang tersemprot keluar dari nozzle sama dengan suhu larutan nutrisi di dalam bak penampung, suhu udara di dalam rumah
13 tanaman dianggap seragam di semua titik, dan kecepatan angin di dalam rumah tanaman
seragam. Untuk mengetahui sebaran suhu yang terjadi di dalam chamber, dapat dievaluasi
menggunakan persamaan-persamaan pindah panas yang sesuai dengan kondisi sebenarnya. Persamaan sederhana yang mengacu pada hukum pertama termodinamika pada sistem chamber
aeroponik dapat dituliskan sebagai berikut: 4
a Kesetimbangan panas pada pipa lateral dalam chamber
5 b
Kesetimbangan panas pada chamber aeroponik 6
c Kesetimbangan total
7 8
Keterangan: : Pindah panas yang masuk ke sistem W
: Pindah panas yang keluar dari sistem W : Pindah panas yang tersimpan di sistem W
m : Massa air kg
Cp : Panas jenis air kJkg.
o
C : Perubahan suhu di sistem
o
C : Pindah panas di pipa lateral dalam chamber W
: Pindah panas yang melalui styrofoam W : Pindah panas yang melalui multiplek W
U : Koefisien perpindahan kalor menyeluruhoverall Wm
2
.
o
C A
: Luas permukaan sistem m
2
: Pindah panas dari udara luar ke udara dalam melalui sisi atas chamber W : Pindah panas dari udara luar ke udara dalam melalui sisi bawah chamber W
: Pindah panas dari udara luar ke udara dalam melalui sisi kanan chamber W : Pindah panas udara luar ke udara dalam melalui sisi kiri chamber W
: Pindah panas dari udara luar ke udara dalam melalui sisi depan chamber W : Pindah panas dari udara luar ke udara dalam melalui sisi belakang chamber
W Pindah panas pada chamber aeroponik terjadi secara konveksi dan konduksi yang
melalui dua lapisan, yaitu multiplek dan styrofoam. Untuk mendapatkan nilai pindah panas setiap sisi chamber digunakan persamaan konveksi udara rumah tanaman yang melalui
multiplek kemudian konveksi udara dalam chamber, serta konduksi antara multiplek dan styrofoam. Sifat-sifat udara dan air yang diperlukan untuk melengkapi nilai persamaan diatas
dapat dilihat pada Lampiran 2.
14 Keterangan:
: Bahan multiplek : Bahan styrofoam
Koefisien konveksi antara chamber dan udara diperoleh dengan persamaan: 9
Bilangan Nusselt Nu dapat diperoleh dengan mengacu pada bentuk dinding vertikal atau horizontal dan nilai GrPr bilangan Grashof-Prandtl dari setiap sisi chamber. Secara
umum, persamaan tersebut dapat ditulis sebagai berikut: 10
dengan nilai GrPr menggunakan persamaan sebagai berikut: 11
Proses pindah panas pada chamber aeroponik terjadi secara vertikal pada sisi atas dan bawah dan secara horizontal pada sisi kanan, kiri, depan, dan belakang yang dapat dilihat
pada Gambar 7. Persamaan dari setiap sisi chamber dapat dituliskan sebagai berikut: a
Laju pindah panas secara vertikal Sisi atas chamber:
12 Sisi bawah chamber:
13
b Laju pindah panas secara horizontal
Sisi kanan, kiri, depan, dan belakang chamber aeroponik mempunyai lapisan dinding yang sama, yaitu multiplek dan styrofoam sehingga persamaan laju pindah
panas secara horizontal sama dengan persamaan 13.
Gambar 7. Skema proses perpindahan panas pada chamber aeroponik
15 Pindah panas pada pipa lateral di dalam chamber aeroponik terjadi secara konveksi.
Persamaan konveksi paksa digunakan untuk mengetahui aliran konveksi air di dalam pipa, serta konveksi alami digunakan untuk mendapatkan koefisien konveksi udara yang melalui
dinding pipa lateral. Nilai bilangan Reynold diperoleh dengan menggunakan sifat-sifat air sehingga persamaan selanjutnya dapat ditentukan dengan mengacu nilai Re dari aliran pipa.
Besarnya bilangan Nusselt untuk konveksi paksa di dalam pipa dapat diketahui dari persamaan-persamaan pada Tabel 2 sebagai berikut:
Tabel 2. Ikhtisar persamaan-persamaan yang berguna bagi perpindahan panas konveksi paksa di dalam pipa dan saluran
Sistem Persamaan
Pipa panjang , fluida,
aliran laminar Pipa pendek, fluida, aliran laminar
Pipa panjang, fluida, aliran turbulen Pipa pendek, fluida, aliran turbulen
Sumber : Kreith 1986
Besarnya koefisien konveksi antara air dan dinding pipa lateral dapat diperoleh dari persamaan sebagai berikut:
14 Koefisien konveksi udara yang melalui pipa dapat diperoleh menggunakan persamaan
10 sampai
persamaan 14,
sehingga diperoleh
koefisien perpindahan
panas menyeluruhoverall dari pipa menggunakan persamaan:
15 Keterangan:
h : Koefisien konveksi Wm
2
.
o
C k
: Konduktivitas termal Wm.
o
C Lc
: Luas terbasahkan m Nu
: Bilangan Nusselt C
: Konstanta GrPr : Bilangan Grashof-Prandtl
g : Percepatan gravitasi ms
2
: Bilangan biot : Viskositas kinematik m
2
s : Koefisien konveksi udara luar chamber Wm
2
.
o
C : Tebal styrofoam m
: Konduktifitas termal styrofoam Wm.
o
C : Koefisien konveksi udara dalam chamber Wm
2
.
o
C
16 : Tebal multiplek m
: Konduktivitas termal multiplek Wm.
o
C Re
: Bilangan Reynold Dh
: Diameter hidrolik m L
: Panjang pipa m : Luas pipa bagian luar m
2
: Luas pipa bagian dalam m
2
: Koefisien konveksi air Wm
2
.
o
C : Jari-jari pipa bagian luar m
: Jari-jari pipa bagian dalam m Berdasarkan kesetimbangan panas yang sudah diuraikan diatas, akan dapat diketahui
nilai penyerapan kalor oleh larutan nutrisi pada pipa lateral dan chamber aeroponik.
e. Simulasi Sebaran Suhu dengan CFD
