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 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 dipantulkan.
28 120 110 100 90 80 Sudut (o)
70 60 50 40 30 20 10 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) Out
No
U1
B1
S1
T2
U2a
U2b
S2a
S2b
T1
U1a
U1b
S1a
S1b
U2
B2
S2
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.
Gambar 14. Letak titik pengukuran suhu pada ruang oven
29 7-8-9
25-26-27
16-17-18
120
120
100 90
100
100
80 80
70
60
60
80 60
50 40
40
-70
-50
-30
40
30
20
20
-10
10
30
50
J a ra k ( m m )
20
10
70
-
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
-70
-50
-30
-10
7-16-25
8-7-26
9-18-27
100
120
100
90
80
70
80
70
30
50
40
30
40
30
20
20
20
10
10
-
-10
70
50
40
-30
50
60 60
50
-50
30
90
80
100
60
-70
10
10
30
50
70
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
-70
-50
-30
-10
10
70
Gambar 15. Distribusi suhu pada dinding berdasarkan titik pengukuran suhu
4-5-6
22-23-24
13-14-15
120
140
120
100
120
100
80
100
80
80
60
60
60 40
40
40 20
20
20 -70
-50
-30
-10
10
30
50
70
-
-100
-50
0
50
100
-70
-50
-30
-10
4-13-22
5-14-23
6-15-24
100
140
120
120
100
90 80
100
70 60
60
30
40
30
50
70
40 20
20
10
-10
70
60
40
-30
50
80
20
-50
30
80
50
-70
10
10
30
50
70
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
-70
-50
-30
-10
10
Gambar 16. Distribusi suhu pada potongan tengah horisontal berdasarkan titik pengukuran suhu
30 10-11-12
13-14-15
16-17-18
140
140
100
120
120
100
100
80
80
60
60
40
40
40
30
20
20
90 80 70 60 50
20
-70
-50
-30
10
-
-10
10
30
50
70
-70
-50
-30
-
-10
10
30
50
70
-70
-50
-30
-10
10-13-16
11-14-17
12-15-18
100
140
120
120
100
90 80
100
70 60
60
30
40
30
50
70
40 20
20
10
-
-10
70
60
40
-30
50
80
20
-50
30
80
50
-70
10
10
30
50
70
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
-70
-50
-30
-10
10
Gambar 17. Distribusi suhu pada potongan tengah vertikal berdasarkan titik pengukuran suhu
1-2-3 120
120
120. 0
100
100
100. 0
80
80
80. 0
60
60
60. 0
40
40
40. 0
20
20
20. 0
-70
-50
7-8-9
4-5-6
-30
-10
10
30
50
70
-70
-50
-30
-
-10
1-4-7
10
30
50
70
-70
-50
-30
-10
2-5-8
100
30
50
70
80 70
80
60
60
50
50
60
40
40 40
30 20
30 20
20
10
10
-
-10
70
90 100
70
-30
50
100
120
80
-50
30
3-6-9
90
-70
10
10
30
50
70
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
-70
-50
-30
-10
10
Gambar 18. Distribusi suhu pada potongan tengah vertikal berdasarkan titik pengukuran suhu
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 ke1 2 3 4 Rata-rata
Iradiasi surya rata-rata (W/m2) 781.5 725.3 768.9 658.5 733.6
Massa awal (g)
Massa akhir (g)
Lama pemasakan (menit)
75 75 75 75 75
38.7 41.3 31.6 35.7 36.8
140 85 140 100 116.3
100 90
800
80
700
70
600
60
500
50
400
40
300
30
200
20
100
10
o
900
Suhu ( C)
2
Iradiasi Surya (W/m )
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 Iradiasi Surya
Air
Gambar 19. Perubahan suhu air dan iradiasi surya
32 Perubahan Nilai C Terhadap Lama Pemasakan
800
450
700
400 350 300
500 250 400 200 300
Suhu Air (o C)
Iradiasi Surya (W/m 2)
600
150 200
100
100
50
-
10:00
10:15
10:30
10:45
11:00
11:15
11:30
11:45
12:00
12:15
12:30
Jam (WIB) 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
800
100 90
700
80 70 500
60
400
50 40
300
Suhu Air (o C)
Iradiasi Surya (W/m 2)
600
30 200 20 100
10
-
10:00
10:15
10:30
10:45
11:00
11:15
11:30
11:45
12:00
12:15
12:30
Jam (WIB) Iradiasi
C = 7.9
C = 16
C = 24
C = 32
C = 40
C = 48
C = 56
C = 64
Gambar 21. Perubahan suhu air pada beberapa nilai C dengan suhu maksimum
100oC
33
400 350
Suhu Air (o C)
300 250 200 150 100 50 10:00
10:30
11:00
11:31
12:01
12:31
Jam (WIB) 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)
C 7.9 16 24 32 40 48 52 56 64
Rata-rata Iradiasi Surya (W/m2) 600 600 600 600 600 600 600 600 600
Lama Pemasakan (menit) 73.0 44.2 32.6 15.5 11.4 7.9 5.0 2.6 1.5
Suhu Air (oC) Ratarata 90.4 95.8 100.7 135.6 168.5 183.8 190.4 195.8 211.4
Min
Max
27.0 27.0 27.0 27.0 27.0 27.0 27.0 27.0 27.0
100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0
34
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. 75 70 65
55
o
Suhu ( C)
60
50 45 40 35 30 25 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Waktu (menit) 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
250
Suhu (oC)
200
150
100
50
0 0
5
10
15
20
25
Waktu(menit) 2
5
8
11
14
20
23
26
29
30
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.
140 120
Suhu (C)
100 80 60 40 20 0 -80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
Jarak (m m )
Gambar 25. Distribusi suhu udara pada lantai ruang oven 70
60
50
40
30
20
10
0 -150
-100
-50
0
50
100
150
J A R A K ( mm)
Gambar 26. Distribusi suhu udara pada dinding kanan oven surya
36
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.
130 120 110 100
o
To ( C)
90 80 70 60 50 Data
40
Calculated
30 0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
2
Solar irradiation (W/m )
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
To =
Z 6 Z1 I + Ta Z2 Z7
(6)
menjadi: To = 0.092 I(t) + Ta
(14)
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.
(a)
(b)
38
(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.
Gambar 29. Proses iterasi dengan metode finite volume dengan algoritma SIMPLE pada ruang oven surya
39 Distribusi Suhu
(a)
(b)
(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
Terlihat bahwa distribusi suhu belum sepenuhnya merata, meskipun secara keseluruhan sudah terlihat adanya distribusi panas dari lantai dan dinding. Pada bagian ke arah pusat transparan terlihat suhunya semakin rendah.
40 Sebaran Suhu Ruang Oven pada Kondisi Unsteady State A. Data Pengukuran 140
900
800 120 700
Suhu (C)
80
500
400
60
300
2
600
Iradiasi Surya (W/m )
100
40 200 20 100
-
16:35
16:15
15:55
15:35
15:15
14:55
14:35
14:15
13:55
13:35
13:15
12:55
12:35
12:15
11:55
11:35
11:15
10:59
Waktu (WIB) 2
5
8
11
14
20
23
26
29
30
Gambar 31. Perubahan suhu pada titik pengukuran oven surya pada kondisi unsteady state B. Model Lump Gambar 32 menunjukkan perbandingan antara perhitungan dengan data pengukuran. Terlihat bahwa hasil perhitungan berhimpit dengan data pengukuran. Gambar 33 menunjukkan mengenai pendugaan perubahan suhu sepanjang hari. Hasil ini juga menunjukkan indikasi bahwa nilai perhitungan sesuai dengan data pengukuran. 130 120 110 100
To ( o C)
90 80 70 60 50 Data
40
Calculated
30 0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Sola r irra dia tion (W /m 2 2)
Iradiasi surya (W/m )
Gambar 32. Pendugaan perubahan suhu ruang oven To pada kondisi unsteady state
41 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:
To i+1 =
(
)
Z 3 Z1 Δt Z I (t ) − 3 Tu i+1 − Tu i + Z 4 Δt Ta i + (1 − Z 4 Δt )To i menjadi: Z2 Z2
To i+1 = 0.026 I (t ) + 0.299 Ta i + 0.701To i ,
dimana
(T
u i +1
)
− Tu i ≈ 0 karena
perbedaan suhu pada utensil sangat kecil sekali. 120 Data Calculated
110 100
o
To ( C)
90
80 70
60 50
40 10:05
10:25
10:45
11:05
11:25
11:45
12:05
12:25
12:45
13:05
13:25
JamTime (WIB)
Gambar 33. Pendugaan perubahan To sepanjang waktu pada kondisi unsteady state
Validasi Model Sebaran Suhu Ruang Oven Hasil validasi antara perhitungan dengan data pengukuran cukup baik, ditunjukkan dengan nilai koefisien korelasinya sebesar 0.826 dengan galat rata-rata 13.45% dan standar deviasi sebesar 12.46oC pada kondisi steady state. Demikian juga pada kondisi unsteady state diperoleh hasil validasinya sebesar 0.772 dengan galat rata-rata 14.36% dan standar deviasi sebesar 12.29oC.
42
40
Galat = 13.45% SD =12.46
35
Hasil Perhitungan ( oC)
30 25 20 15 10 5 0 0
10
20
30
40
Data Pengukuran ( oC)
Gambar 34. Validasi model lump pada kondisi kuasi steady state
40
Galat = 14.36% SD =12.29
Hasil Perhitungan ( oC)
30
20
10
0 0
10
20
30
40
o
Data Pengukuran ( C)
Gambar 35. Validasi model lump pada kondisi unsteady state
