PEMODELAN SISTEM TERMAL DAN SIMULASI PADA OVEN SURYA
ROPIUDIN
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2007
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis “Pemodelan Sistem Termal dan Simulasi pada Oven Surya” merupakan karya saya sendiri dan belum pernah diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber data dan informasi yang digunakan dalam karya yang diterbitkan maupun yang tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam daftar pustaka di bagian akhir tesis ini.
Bogor, Agustus 2007
Ropiudin NIM F151040041
ABSTRAK ROPIUDIN. Pemodelan Sistem Termal dan Simulasi pada Oven Surya. Dibawah bimbingan KAMARUDDIN ABDULLAH dan LEOPOLD OSCAR NELWAN.
Penggunaan energi surya sebagai sumber energi untuk memasak perlu dimanfaatkan. Dengan demikian diperlukan pemasak surya (oven surya) yang optimal dengan penyebaran suhu yang seragam pada bagian ruang pemasakan. Sehingga proses pemasakan dapat berlangsung dengan baik. Untuk itu akan dibuat pemodelan sistem termal dari oven surya dan mensimulasikan fenomena fisis yang terjadi dengan pendekatan finite volume menggunakan teknik Computational Fluid Dynamics (CFD). Pemodelan dan simulasi yang dilakukan dapat dijadikan dasar untuk memperoleh disain yang optimal. Model matematika pada sistem termal sudah diperoleh dengan baik. Model diperoleh pada pendekatan lump dan spasial. Model menghasilkan nilai validasi yang cukup baik sebesar 0.826 dengan galat rata-rata sebesar 13.45% dan standar deviasi sebesar 12.46oC pada kondisi kuasi steady state dan 0.772 dengan galat rata-rata sebesar 14.36% dan standar deviasi sebesar 12.29oC pada kondisi unsteady state. Titik fokus untuk pemasakan terletak pada ruang oven dengan ketinggian 33.5 mm dan mendatar pada titik tengah ruang oven. Guna mendapatkan disain yang efisien, pemasakan dilakukan pada titik fokus tersebut. Hasil simulasi menunjukkan pada nilai C =52 mampu mampu memanaskan air sampai 100oC pada iradiasi 600 W/m2 selama 30 menit pada kondisi tempat masak tanpa tutup.
© Hak cipta milik Institut Pertanian Bogor, 2007 Hak cipta dilindungi Dilarang mengutip dan memperbanyak tanpa izin tertulis dar Institut Pertanian Bogor, sebagian atau seluruhnya dalam bentuk apapun, baik cetak, fotocopy, mikrofilm, dan sebagainya
KATA PENGANTAR
Tiada kata yang pantas diucapkan di awal pengantar ini kecuali “Alhamdulillahirobbil 'alamiin”. Melalui kasih sayang-Nya, tesis mengenai “Pemodelan Sistem Termal dan Simulasi pada Oven Surya” selesai dengan harapan dapat memberikan kontribusi untuk ilmu pengetahuan. Sholawat dan salam semoga senantiasa tercurah kepada uswah kita, Muhammad SAW beserta keluarga dan pengikutnya yang setia hingga akhir zaman. Rasa terima kasih yang mendalam disampaikan kepada: Prof. Dr. Kamaruddin Abdullah, MSA, IPU selaku ketua komisi pembimbing yang telah memberikan kontribusi yang sangat berharga dan bermakna terhadap tesis ini, Dr. Ir. Leopold Oscar Nelwan, M.Si selaku anggota komisi pembimbing yang telah banyak memberikan saran dan koreksi terhadap tesis ini, Dr. Ir. Suroso, M.Agr selaku penguji luar komisi yang telah banyak memberikan koreksi terhadap isi tesis ini. Bagian Energi dan Elektrifikasi Pertanian, Dept. Teknik Pertanian IPB atas bantuan dan dukungan tempat dan peralatan penelitian, Bagian Lingkungan dan Bangunan Pertanian, Dept. Teknik Pertanian IPB atas bantuan perekam data Hybrid Recorder. Temen-teman di SPs IPB; teman-teman TEP 2004, TPP 2004, senior di Sub-program Ilmu dan Teknik Energi Terbarukan; Binsar Nababan (alm.), Gunadnya, Totok Prasetyo, Kudrat Sunandar, Arif Guritno, Yogi Siroz, dan Joelianingsih, juga tementeman di Tokyo, Ardiansyah beserta isteri dan Aep Saepul Uyun atas bantuan, dukungan, dan saran-saran yang diberikan, Depdiknas, Dirjen Dikti melalui Program Hibah Kompetisi (PHK) A2, Jurusan Teknologi Pertanian Unsoed Purwokerto atas bantuan paket biaya studi yang diberikan. Sujud syukur pada Allah SWT yang telah memberikan kepada penulis suatu karunia agung seorang ibunda yang senantiasa memberikan dorongan dan tetesan air mata dalam tiap sujud malamnya untuk kebaikan semua putra-putrinya, Ayah (alm.) dan Abah (alm.) atas doa dan wejangannya serta adik-adik tercinta atas semua yang telah diberikan. Terakhir dan teristimewa diuntaikan segenap kebaikan untuk isteriku tercinta, Kavadya Syska, SP, M.Si yang tidak bosan-bosan memberikan doa, dorongan, waktu, dan perhatian dikala suka maupun duka. Juga sebagai partner diskusi yang baik. Segala usaha dan upaya telah dilakukan guna menghasilkan tesis yang baik. Namun demikian, tentunya tiada gading yang tak retak, demikian halnya dengan tesis ini. Semoga tesis ini bermanfaat adanya.
Bogor, Agustus 2007 Penulis
PEMODELAN SISTEM TERMAL DAN SIMULASI PADA OVEN SURYA
ROPIUDIN
Tesis Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains dalam bidang Ilmu Keteknikan Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2007
Judul Tesis
:
Pemodelan Sistem Termal dan Simulasi pada Oven Surya
Nama
:
Ropiudin
NIM
:
F151040041
Disetujui Komisi Pembimbing
Prof. Dr. Kamaruddin Abdullah, MSA, IPU Ketua
Dr. Ir. Leopold Oscar Nelwan, M.Si Anggota
Diketahui Ketua Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian
Dekan Sekolah Pascasarjana
Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan, M.Agr.
Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, MS.
Tanggal Ujian: 29 Juni 2007
Tanggal Lulus:
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
Ropiudin dilahirkan di Cirebon, 21 Juli 1977. Penulis merupakan putra pertama dari pasangan H. Romli (Alm.) dan Hj. Ropiah. Penulis memiliki seorang isteri bernama Kavadya Syska yang dinikahi pada 3 Agustus 2007. Pendidikan dasar (SD) sampai menengah atas (SMA) dijalani di Cirebon. Tahun 1995 lulus SMA dan melanjutkan studi S1 pada Jurusan Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian IPB, lulus tahun 2001. Pada tahun 2002 diangkat menjadi dosen tetap Fakultas Pertanian Universitas Jenderal Soedirman (Unsoed) pada Program Studi Teknik Pertanian. Selanjutnya, tahun 2004 melanjutkan studi S2 di Sekolah Pascasarjana IPB pada Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian, sub-program Ilmu dan Teknik Energi Terbarukan dengan biaya dari Depdiknas RI, Dirjen Dikti melalui Program Hibah Kompetisi (PHK) A2 Jurusan Teknologi Pertanian Unsoed Purwokerto. Beberapa riset yang berkenaan dengan disain sistem termal telah dilakukan. Saat ini penulis merupakan anggota dalam asosiasi profesi, seperti Masyarakat Energi Terbarukan Indonesia (METI), Perhimpunan Teknik Pertanian (Perteta), dan International Society of Lyophilization – Freeze Drying (ISL-FD). Penulis aktif dalam beberapa program pengembangan Unsoed, antara lain sebagai anggota tim pengembangan Program Studi Teknik Pertanian, anggota tim pengembangan Jurusan Teknologi Pertanian, staf produksi majalah ilmiah populer Unsoed, editor lepas pada Penerbit Puspaswara (Grup Trubus), staf editor pada Penerbit Tanda Baca Depok, dan sebagai koordinator kerjasama riset ”Food Information and Engineering Center for Sustainable Agriculture (FIECSA)” antara Unsoed dengan The University of Tokyo.
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI ……………………………………………………………….. DAFTAR TABEL ………………………………………………………….. DAFTAR GAMBAR ………………………………………………………. DAFTAR LAMPIRAN ……………………………………………………. DAFTAR SIMBOL ………………………………………………………...
i ii iii v vi
PENDAHULUAN ………………………………………………................. Latar Belakang ………………………………………………………… Tujuan …………………………………………………………………. Manfaat ………………………………………………………………...
1 1 3 3
TINJAUAN PUSTAKA ………………………………………………........ Sumber dan Kebutuhan Energi untuk Memasak ……………………… Tipe-tipe Pemasak Surya ……………………………............................ Perkembangan Penelitian Pemasak Surya ………………...................... Pendekatan dalam Pemodelan Sistem Termal …………………............ Computational Fluid Dynamics (CFD) ………………………..............
4 4 4 4 6 6
PENDEKATAN TEORITIS ……………………………………………… Prinsip Kerja Oven Surya …………….................................................... Fokus Oven Surya Berdasarkan Pendekatan Geometri ……………....... Pemodelan dengan Pendekatan Lump …………………………............. Pemodelan dengan Pendekatan Spasial ………....................................... Kode CFD ……………………………...................................................
11 11 13 16 17 18
BAHAN DAN METODE PERCOBAAN ………………………………... Waktu dan Tempat …………………………………………………….. Bahan dan Alat ………………………………………………................ Prosedur Percobaan …………………………………………….............
22 22 22 22
HASIL DAN PEMBAHASAN ..................................................................... Titik Fokus Letak Pemasakan ................................................................. Lama Pemasakan ..................................................................................... Perubahan Nilai C terhadap Lama Pemasakan ....................................... Sebaran Suhu Ruang Oven pada Kondisi Kuasi Steady State ................ Data Pengukuran ............................................................................. Model Lump .................................................................................... Model Spasial (Menggunakan Metode CFD) ................................. Sebaran Suhu Ruang Oven pada Kondisi Unsteady State ...................... Data Pengukuran ............................................................................. Model Lump .................................................................................... Validasi Model Sebaran Suhu Ruang Oven ............................................
27 27 31 32 34 34 36 37 40 40 40 41
SIMPULAN DAN SARAN ........................................................................... DAFTAR PUSTAKA ……………………………………………………… LAMPIRAN ..................................................................................................
42 43 48
ii
DAFTAR TABEL Tabel 1. Persamaan garis pada bidang datar reflektor ....................................
14
Tabel 2. Tabulasi pengukuran pada kondisi kuasi steady state dan unsteady state ……………………………………………………...
24
Tabel 3. Hasil percobaan lama pemasakan air ………………………………...
31
Tabel 4. Hasil simulasi lama pemasakan dan suhu air pada beberapa nilai C (concentration ratio) .............................................................................
33
iii
DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Perkembangan penelitian pemasak surya tipe box ............................
6
Gambar 2. Pemantulan sinar surya pada reflektor oven surya .......................
11
Gambar 3. Skema aliran energi pada oven surya ...........................................
12
Gambar 4. Asumsi sudut datang surya pada reflektor ....................................
13
Gambar 5. Geometri dalam bagian oven surya ..............................................
14
Gambar 6. Bentuk geometri reflektor; (a) Sisi atas (U1, B1, S1, T1), (b) Pojok atas (U1a, U1b, S1a, S1b), (c) Sisi bawah (U2, B2, S2, T2), dan (d) Pojok bawah (U2a, U2b, S2a, S2b) ...................................................
15
Gambar 7. Skema dan aliran energi dalam oven surya ..................................
16
Gambar 8. Penentuan node pada koordinat Cartesian 2D ..............................
18
Gambar 9. Penempatan node koordinat Cartesian 3D ....................................
19
Gambar 10. Titik pengukuran pada oven surya; (a) tampak isometri, (b) penutup transparan, (c) dinding dalam tampak kiri, (d) dinding dalam tampak kanan, (e) dinding dalam tampak depan, (f) dinding dalam tampak belakang, dan (g) irisan tengah yang sejajar dengan tampak depan ......................................................
25
Gambar 11. Diagram alir penelitian ………………………………………...
26
Gambar 12. Letak titik fokus oven surya ............................................................
27
Gambar 13. Sudut pantul sinar surya tiap bagian reflektor (perspektif horisontal pada tiap bagian reflektor) (Percobaan 13 April 2007) ..
28
Gambar 14. Letak titik pengukuran suhu pada ruang oven ................................
28
Gambar 15. Distribusi suhu pada dinding berdasarkan titik pengukuran suhu ..
29
Gambar 16. Distribusi suhu pada potongan tengah horisontal berdasarkan titik pengukuran suhu .............................................................................
29
Gambar 17. Distribusi suhu pada potongan tengah vertikal berdasarkan titik pengukuran suhu ………………………………………………….
30
Gambar 18. Distribusi suhu pada potongan tengah vertikal berdasarkan titik pengukuran suhu .............................................................................
30
Gambar 19. Perubahan suhu air dan iradiasi surya ........................................
31
Gambar 20. Perubahan suhu air pada beberapa nilai concentration ratio ......
32
Gambar 21. Perubahan suhu air pada beberapa nilai concentration ratio
iv
dengan suhu maksimum 100oC .................................................
32
Gambar 22. Perubahan suhu air pada beberapa nilai C dengan rata-rata iradiasi surya 335.6 W/m2 ............................................................................
33
Gambar 23. Perubahan suhu node ruang oven (tanpa reflektor) pada iradiasi konstan artificial solar irradiation sebesar 928.57 W/m2 ..............
34
Gambar 24. Perubahan suhu node ruang oven (dengan reflektor) pada iradiasi konstan artificial solar irradiation sebesar 928.57 W/m2 ..............
34
Gambar 25. Distribusi suhu udara pada lantai ruang oven .................................
35
Gambar 26. Pendugaan perubahan suhu dalam ruang oven dengan pemanasan konstan pada kondisi kuasi steady state ..........................................
35
Gambar 27. Bentuk mesh untuk pengukuran suhu pada ruang oven; (a) tampak atas, (b) tampak isometri, (c) tampak bawah, dan (d) tampak samping ...........................................................................................
36
Gambar 28. Proses iterasi dengan metode finite volume dengan algoritma SIMPLE pada ruang oven surya .....................................................
38
Gambar 29. 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 .......................................................................
38
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 .......................................................................
39
Gambar 31. Perubahan suhu pada titik pengukuran oven surya pada kondisi unsteady state ..................................................................................
40
Gambar 32. Pendugaan perubahan suhu ruang oven To pada kondisi unsteady State ……………………………………………………………….
40
Gambar 33. Pendugaan perubahan To sepanjang waktu pada kondisi unsteady State ……………………………………………………………….
41
Gambar 34. Validasi model lump pada kondisi kuasi steady state .....................
42
Gambar 35. Validasi model lump pada kondisi unsteady state ………………..
42
v
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Oven surya ......................................................................................
48
Lampiran 2. Desain oven surya ……………………………………...............
49
Lampiran 3. Posisi bagian reflektor (2D; dua dimensi) ..................................
51
Lampiran 4. Penentuan luasan relektor karena pengaruh posisi matahari ..........
52
Lampiran 5. Koefisien pindah panas konveksi (h) antara dinding dalam oven dengan ruang oven .......................................................................
60
Lampiran 6. Sifat fluida dan padatan ..................................................................
62
Lampiran 7. Variabel masukan pada CFD ..........................................................
63
vi
DAFTAR SIMBOL
A. LATIN Simbol C A U h Cp I T m t x, y, z u v w Z
Keterangan
Satuan tak berdimensi m2 W/m2K W/m2K kJ/kgK kW/m2 o C kg detik tak berdimensi tak berdimensi tak berdimensi tak berdimensi tak berdimensi
Concentration ratio luas Permukaan koefisien pindah panas keseluruhan koefisien pindah panas konveksi panas jenis iradiasi surya suhu massa waktu arah pada koordinat cartesian aliran dalam sumbu x aliran dalam sumbu y aliran dalam sumbu z konstanta
B. YUNANI Simbol ρ Θ α τ
Keterangan reflektivitas arah jatuh sinar surya absorbsivitas transmisivitas
Satuan tak berdimensi
o
tak berdimensi tak berdimensi
C. SUBSKRIP Simbol u ut us o a w
Keterangan utensil utensil atas utensil samping ruang oven lingkungan air
Simbol 1, 2,..., 7 i d t
Keterangan urutan dalam konstanta Z urutan ke ... (anggota bilangan asli) dinding penutup transparan
PENDAHULUAN
Latar Belakang Biro Pusat Statistik (2000) di dalam Suharta (2004) menjelaskan bahwa kebutuhan bahan bakar untuk memasak di Indonesia sebagai berikut: kayu bakar (52.54%), minyak tanah (38.23%), gas/LPG (7.53%), listrik (1.38%), batubara (0.34%), dan lainnya (0.15%). Penggunaan bahan bakar berupa kayu yang cukup tinggi,
dikhawatirkan
akan
mengganggu
kelestarian
lingkungan
akibat
berkurangnya areal kayu (hijauan), juga adanya asap yang ditimbulkan. Penggunaan bahan bakar lainnya, seperti minyak tanah, gas/LPG, listrik, cukup tinggi harganya. Meskipun batubara secara ekonomis masih murah, bahan bakar ini juga menimbulkan asap yang cukup tinggi. Diketahui pula bahwa potensi minyak di Indonesia sudah menipis. Indonesia pada akhir tahun 2005 telah menjadi negara berstatus "net oil importer country". Sedangkan, penggunaan sumber-sumber energi untuk memasak selain kayu bakar dan minyak relatif sedikit. Mengingat tingginya energi yang dibutuhkan dalam proses ini dan semakin terbatasnya bahan bakar minyak serta upaya kelestarian lingkungan yang giat dilakukan akhir-akhir ini, maka usaha diversifikasi energi yang ekonomis dan ramah lingkungan untuk memasak perlu terus diteliti dan dikembangkan. Indonesia yang akan memasuki era industrialisasi jelas akan memerlukan tambahan energi dalam jumlah yang relatif besar dan hal ini sudah barang tentu akan berdampak pula terhadap lingkungan. Selain itu, diversifikasi energi merupakan salah satu jawaban untuk mencukupi kebutuhan energi yang terus meningkat, akan tetapi masalah penyelamatan lingkungan juga harus diperhatikan. Dengan adanya perubahan eksternal yang terjadi saat ini, yaitu standar perlindungan lingkungan yang semakin tinggi, persaingan dalam perolehan Certified Emission Reduction (CER) melalui projek CDM, dan masalah-masalah pencemaran green house gasses yang melewati batas negara. Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral (2003) menjelaskan bahwa adanya perubahan lingkungan strategis di tingkat nasional, regional, dan global, seperti pemberian kewenangan yang lebih besar kepada daerah, diberlakukannya AFTA 2003,
2
APEC 2020, dan Protokol Kyoto, tentunya akan mempengaruhi paradigma penyediaan dan pemanfaatan energi pada masa kini dan akan datang. Salah satu alternatif diversifikasi energi untuk mengatasi masalah tersebut adalah energi surya. Sumber energi terbarukan ini mempunyai keuntungan, yaitu ramah lingkungan dan ketersediaannya melimpah. Juga, sebagai negara tropis Indonesia mempunyai potensi energi surya cukup melimpah dengan radiasi harian matahari rata-rata 4.8-5.2 kWh/m2 (Departemen ESDM RI, 2003). Namun demikian, energi ini mempunyai kelemahan, yaitu sifatnya yang tidak kontinyu dan intensitasnya yang bervariasi menurut lokasi (letak lintang) dan waktu. Pemanfaatan energi surya untuk memasak telah dilakukan di beberapa negara dalam beberapa tipe (Kundapur, 1999). Di Indonesia, penelitian dan pengembangan pemasak surya telah dilakukan oleh Minto (1999) berupa pemasak surya tipe konsentrator, Ropiudin (2001) melakukan analisis energi pada oven surya, dan Suharta (2004) melakukan penelitian terhadap pemasak surya tipe box reflektor tunggal untuk memasak beberapa jenis makanan di beberapa wilayah di Indonesia. Hal ini mengindikasikan bahwa energi surya dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi yang baik untuk memasak di Indonesia. Selain itu, Suharta (2004) membuat model analitik dari regresi data yang diperoleh. Model analitik tidak dapat digunakan untuk menduga suhu ruang oven. Kelemahan model yang dibuat terlihat apabila iradiasi surya bernilai nol maka suhu ruang oven akan bernilai negatif. Hal ini tidak sesuai dengan kaidah Hukun I Termodinamika, apabila iradiasi surya bernilai nol (artinya tidak ada masukan energi), maka suhu ruang oven akan sama dengan suhu lingkungan. Melihat kondisi tersebut, perlu dilakukan perbaikan menggunakan model matematika berdasarkan keseimbangan energi pada ruang oven. Penggunaan energi surya sebagai sumber energi untuk memasak perlu dimanfaatkan. Dengan demikian diperlukan oven surya yang optimal dengan penyebaran suhu yang seragam pada bagian ruang pemasakan. Sehingga proses pemasakan dapat berlangsung dengan baik. Untuk itu akan dibuat pemodelan sistem termal dari oven surya dan mensimulasikan fenomena fisis yang terjadi dengan pendekatan finite volume menggunakan teknik Computational Fluid
3
Dynamics (CFD). Pemodelan dan simulasi yang dilakukan dapat dijadikan dasar untuk mendapatkan disain yang optimal. Penggunaan teknik CFD berkembang seiring dengan perkembangan komputer yang memerlukan kecepatan dan memori tinggi. Fletcher (1991) menjelaskan bahwa CFD merupakan cabang dari dinamika fluida yang menyediakan biaya yang murah untuk simulasi aliran riil. Selain itu, juga menawarkan pengujian teoritis untuk kondisi-kondisi yang tak tersedia secara eksperimen. CFD juga menyediakan kenyamanan dalam mengeliminir kondisikondisi spesifik pada pembuatan persamaan atur. Tujuan penelitian ini adalah: (1) untuk mendapatkan model matematika guna menduga perubahan suhu pada oven surya, (2) untuk menduga pola aliran dan distribusi suhu pada oven surya dengan pendekatan finite volume menggunakan teknik Computational Fluid Dynamics (CFD), dan (3) untuk mendapatkan disain yang efisien berdasarkan pola aliran dan distribusi suhu yang seragam pada oven surya.
Manfaat Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah: (1) untuk mendapatkan model matematika pada oven surya sebagai dasar dalam mendisain skala lapangan, (2) untuk mengetahui pola aliran fluida dan distribusi suhu pada oven surya, dan (3) untuk mendapatkan rancangan disain yang efisien berdasarkan pola aliran dan distribusi suhu yang seragam pada oven surya.
TINJAUAN PUSTAKA
Sumber dan Kebutuhan Energi untuk Memasak Berdasarkan data dari BPS (2000) di dalam Suharta (2004) dijelaskan bahwa kebanyakan penduduk pedesaan berpenghasilan rendah menggunakan kayu bakar untuk memasak yang dikumpulkan di sekitar tempat tinggalnya. Jumlah penduduk desa di Indonesia sekitar 51.203 juta dan 52.54%-nya menggunakan kayu bakar untuk memasak. Pada tahun 1998, jumlah penduduk miskin mencapai 80 juta (39.6%) diakibatkan karena penurunan pendapatan selama krisis moneter tahun 1997 (Muluck, 1998 di dalam Suharta, 2004). Ditambahkan oleh Suharta, et al. (1997) bahwa 27.9 juta penduduk Indonesia menggunakan kayu bakar untuk memasak. Sebagian besar penduduk desa menggunakan kayu bakar yang dikumpulkan dari alam sekitar tanpa membeli. Jika tiap keluarga memasak dua kali sehari dan minimal membutuhkan 1 kg kayu bakar tiap kali memasak, maka jumlah kebutuhan kayu bakar per tahun dapat mencapai 20.37 milyar kg. Jika satu pohon muda berumur 4 tahun menghasilkan 500 kg kayu kering, maka untuk memenuhi kebutuhan energi untuk memasak dibutuhkan 40.74 juta pohon muda yang harus ditebang tiap tahunnya. Kamaruddin (1998) menambahkan bahwa kebutuhan energi biomassa untuk memasak pada tahun 1998 sebesar 232 MBOE atau sebesar 40% konsumsi total nasional.
Tipe Pemasak Surya Kundapur (1999) mengklasifikasikan pemasak surya dalam beberapa tipe: (1) tipe kimia, (2) tipe konsentator, (3) tipe tidak langsung, (4) tipe lipat, dan (5) tipe box. Tiap tipe memiliki ciri khasnya sendiri. Tipe kimia memiliki biaya pembuatan yang cukup mahal dan diperlukan kondisi tertentu untuk keamanan makanan. Karena kerumitan dan pertimbangan biaya, tipe ini jarang digunakan. Tipe konsentrator memberikan suhu paling tinggi dari semua jenis pemasak surya. Kelemahannya letak pemasak di atas konsentrator, sehingga menyulitkan proses pemasakan. Pada tipe ini kolektor surya diletakkan di tempat terbuka sedangkan tempat masak ditempatkan pada bagian tertutup, seperti diletakkan di dalam suatu
5
bangunan. Energi dipindahkan menggunakan fluida. Tipe box memiliki prinsip kerja sebagai berikut, energi surya dikonsentrasikan ke dalam sebuah kotak (box) yang diletakkan di bawah reflektor yang memungkinkan semua sinar matahari yang mengenai reflektor dipantulkan ke dalam box. Pemasak surya tipe box dibagi dalam dua bagian, yaitu: tanpa reflektor dan dengan reflektor (berjumlah satu atau delapan; mengelilingi box pada bagian atas) yang berfungsi untuk meningkatkan fluks panas. Seringkali reflektor berfungsi sebagai penutup luar. Menurut Nahar (1992), oven surya memiliki reflektor yang mengelilingi ruang oven pada bagian atasnya. Oven surya memiliki nilai rasio konsentrasi (concentration ratio) tertentu. Walton, et al. (1977) menjelaskan bahwa tipe box tanpa reflektor pertama kali diperkenalkan oleh Saussure (1740-1799). Ruang masak diinsulasi dengan kaca pada bagian atas sehingga radiasi surya dapat tembus dan memanaskan ruang pemasak. Meinel dan Meinel (1977) melaporkan bahwa pemasak surya tipe box yang dikubur pada pasir dan diberi penutup ganda berupa kaca dapat mencapai suhu yang cukup stabil sekitar 116oC. Vaughan (1979) membuat pemasak tipe box dengan meletakkan box logam di bawah tanah. Kundapur (1999) menguji pemasak surya tipe box yang terbuat dari lumpur di atas tanah. Dan tambahkan panci alumunium sebagai tempat masak. Ratnaswamy, et al. (1988) mendisain box persegi menggunakan kaca. Lem silikon digunakan untuk membuat konstruksi pemasak surya. Suhu dalam box dapat mencapai 110oC. Muzumdar (1980) menggunakan karton berkerut untuk box bagian dalam seperti halnya kotak bagian luar. Sharm dan Phillip (1992) menggunakan kardus untuk pemasak tipe box dan menumpuk kertas bekas untuk insulasi. Ropiudin (2001) melakukan analisis kinerja oven surya. Dengan nisbah geometri sebesar 7.9 mampu memanaskan suhu ruang oven sebesar 146.3oC pada kondisi oven surya diam dan 158.0oC pada kondisi oven surya diputar mengikuti arah matahari. Nandwani (1996) menjelaskan kelemahan dan kelebihan pemasak surya sebagai berikut, yaitu kelemahan: (1) kesediaan iradiasi surya yang tidak teratur, (2) energi yang digunakan tidak dapat diangkut dan disimpan, (3) pada latitude yang tinggi tidak nyaman, (4) kebiasaan dalam memasak/makan, dan (5) waktu
6
pemasakan lama. Kelebihan: (1) energi yang tersedia berlimpah, (2) mencegah kerusakan hutan, polusi udara, dan menghemat penggunaan energi konvensional.
Perkembangan Penelitian Pemasak Surya Penelitian mengenai pemasak surya telah dilakukan oleh sejak dulu. Referensi pertama, menyebutkan bahwa penelitian pemasak surya dimulai oleh Nicholas-de-saussure (1740-1799). Penelitian mengenai pemasak surya tipe box dan
2007
2006
2005
2003
2004
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1994
1995
1993
1992
1991
1990
1989
1988
1987
1986
1885
1799
1984
kajian-kajian yang berkenaan dengan aspek pemasak surya semakin giat dilakukan.
Gambar 1. Perkembangan penelitian pemasak surya tipe box
Kegiatan penelitian pemasak surya tipe box telah dilakukan beberapa peneliti, yaitu: Adel, et al. (1986) melakukan pendugaan terhadap performansi pemasak surya dan membandingkannya dengan pemasakan dalam bara api. Shrestha (1987) melakukan modifikasi terhadap pemasak surya tipe box. Nahar (1988) menguji pemanas air tenaga surya untuk dijadikan pemasak surya. Nandwani (1988) melakukan percobaan terhadap pemasak surya tipe box sederhana. Kammen (1990) melakukan studi perbandingan terhadap pemasak surya tipe box di Nicaragua. Pejack (1991) membuat model matematika untuk mengetahui performansi pemasak surya tipe box. Al-Saad dan Jubran (1991) menguji performansi pemasak surya berbiaya murah yang terbuat dari tanah liat. Nahar (1992) melakukan studi performansi terhadap pemasak surya tipe box berukuran besar. Balzar, et al. (1996) melakukan penelitian pemasak surya menggunakan kolektor pipa vakum yang diintegrasikan dengan pipa panas. Nark dan Tidrkmen (1996) membuat pemodelan pada pemasak tipe box. Hararsingh
7
dan Dgom (1996) melakukan penelitian mengenai konveksi alami pada pemasak surya plat datar dengan penyimpanan panas singkat. Hussain dan Khan (1996) melakukan studi terhadap pemasak surya berbiaya murah dengan celah datar pada bidang miring. Nahar, et al. (1996) membuat pemasak surya tipe box untuk makanan ternak dan melakukan modifikasi terhadap model yang telah dibuat sebelumnya. Kumar, et al. (1996) melakukan analisis kelayakan pemasak surya tipe box di India. Mullick, et al. (1996) melakukan uji performansi pemasak surya tipe box yang direpresentasikan dengan dua variabel, yaitu F1 dan F2. Nandwani (1996) menjelaskan bahwa pemasak surya merupakan teknologi berbiaya rendah tetapi memiliki keuntungan yang tinggi terhadap ekologi. El-Sebaii dan AboulEnein (1997) membuat pemasak surya tipe box dengan sebuah reflektor. El-Sebaii (1997) membuat pemasak surya tipe box dengan reflektor luar dan di dalam ruang pemasak. Buddhi dan Sahoo (1997) melakukan disain dan percobaan terhadap pemasak surya dengan penyimpan panas laten. Carmody dan Sarkar (1997) menganalisis peran pemasak surya terhadap strategi energi yang berkelanjutan secara desentralisasi di Sub-Saharan, Afrika. Beaumont, et al. (1997) melakukan disain dan pengujian terhadap pemasak surya ultra murah di Tanzania. Hussain, et al. (1997) menguji performansi pemasak surya tipe box dengan adanya pemanas tambahan. Mullick (1997) meneliti faktor kehilangan panas tertinggi pada kaca penutup ganda pemasak surya tipe box. Suharta (1998) melakukan pengembangan dan uji lapangan disain pemasak surya tipe box di beberapa wilayah di Indonesia. Mohamad, et al. (1998) membuat disain dan uji lapangan terhadap pemasak surya tipe box untuk wilayah Afrika. Ramadan (1998) membuat pengembangan model pemasak surya indoor yang murah di Tanta. Fundk dan Larson (1998) membuat model parametrik untuk performansi pemasak surya. Gaur, et al. (1999) melakukan studi performansi pemasak surya dengan modifikasi pada alat masaknya. Suharta, et al. (1999) melakukan survey terhadap penerimaan pemasak surya di Indonesia. Chaudhuri (1999) melakukan estimasi pada energi listrik yang digunakan untuk mendukung pemasak surya tipe box. Ali (2000) mendisain dan menguji pemasak surya tipe box di Sudan. Ahmad (2000) melakukan kajian terhadap dampak pemasak surya bagi pengguna dan bukan pengguna di wilayah perkotaan di India. Sharma, et al. (2000) melakukan disain, pengembangan, dan
8
evaluasi terhadap unit penyimpan panas laten untuk pemasakan sore hari pada pemasak surya. Algifri dan AL-Towaie (2001) melakukan kajian mengenai dampak orientasi efisiensi pada pemasak surya pengaruhnya terhadap kinerja. Suharta (2001) melakukan perbandingan terhadap tiga jenis disain pemasak surya tipe box. Nahar (2001) melakukan disain, pengembangan, dan pengujian terhadap pemasak surya tipe box reflektor ganda dengan bahan insulasi transparan. Narasimharao dan Subramanyam (2003) melakukan penelitian pada alat masak yang mudah dibawa bepergian. Buddhia, et al. (2003) melakukan evaluasi terhadap performansi termal pada unit penyimpan panas laten untuk pemasakan sore hari pada pemasak surya tipe box tiga reflektor. Nahar (2003) menghitung performansi dan menguji pemasak surya tipe box. Ekechukwu dan Ugwuoke (2003) membuat disain dan menguji performansi reflektor datar pada pemasak surya tipe box. Kumar (2004) melakukan penentuan koefisien pindah panas konveksi (h) pada oven surya tanpa reflektor dengan penutup transparan ganda dan juga mencari faktor kehilangan panas overall (U) pada oven surya. Variabel ini merupakan memberikan kontribusi yang cukup besar terhadap kehilangan panas pada oven surya. El-Sebaii dan Ibrahim (2005) melakukan percobaan pada pemasak surya tipe box menggunakan prosedur standar “Cooking Power”. Negia dan Purohit (2005) melakukan pengujian terhadap pemasak surya tipe box dengan penggerak konsentrator “non-tracking”. Kumar (2005) melakukan estimasi parameter disain terhadap performasi termal pemasak surya tipe box. Nandwani (2006) menjelaskan tentang penggunaan energi surya di Costa Rica, diantaranya untuk memasak. Nandwani (2007) melakukan disain, konstruksi, dan studi terhadap unit pemasak surya hibrid pada kondisi iklim di Costa Rica. Disain terbaik ditunjukkan dengan adanya solar tracker dan juga hibrid dengan energi listrik.
Pemodelan Sistem Termal Pemodelan sistem termal merupakan penyederhanaan secara matematik dari sistem termal yang terjadi pada suatu sistem. Secara umum biasanya disebut dengan model matematik. Chapra (2005) menjelaskan bahwa model matematik
9
secara luas dapat didefinisikan sebagai perumusan atau persamaan yang mengekspresikan feature khusus dari sistem atau proses fisik. Ditambahkan oleh Suryanarayana dan Arici (2004) untuk keberhasilan pemodelan diperlukan persamaan geometri, persamaan kinematika (rasio dari kecepatan dan percepatan antara item dan model), dan persamaan yang relevan tanpa variabel. Ropiudin, et al. (2005 dan 2006) mengembangkan model matematik dengan pendekatan sistem lump pada oven surya pada kondisi kuasi steady state dan unsteady state. Model dibuat untuk menduga suhu ruang oven surya bila nilai iradiasi surya dan suhu lingkungan diketahui. Model matematik yang dihasilkan berbentuk linear pada kondisi kuasi steady state. Model yang dibuat cukup baik, dimana bila iradiasi surya nol, maka suhu ruang oven sama dengan suhu lingkungan. Hal ini sesuai dengan kaidah Hukum Termodinamika II.
Computational Fluid Dynamics (CFD) Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah suatu teknik analisa dari suatu sistem meliputi aliran fluida, perpindahan panas, dan fenomena yang terlibat di dalamnya, seperti reaksi kimia dengan bantuan komputer berdasarkan simulasi (Versteeg dan Malalasekera, 1995). CFD telah dikenal sejak tahun 1960-an untuk mendisain mesin jet dan aircraft. Perkembangan selanjutnya, teknik ini digunakan untuk mendisain mesin pembakaran internal, tabung pembakaran dalam turbin gas dan tungku, kendaraan bermotor, dan aliran udara yang menyelimuti casing mobil. CFD terdiri atas tiga komponen utama, yaitu: pre-processor, solver, dan post-processor. Pre-processor berupa input yang harus diberikan berupa bentuk geometri, pembentukan grid (mesh), penentuan sifat termofisik, dan kondisi batas. Solver adalah pemecahan model aliran fluida (model persamaan konservasi massa, momentum, dan energi). Pemecahan model aliran fluida ini menggunakan metode numerik; finite difference, finite element, dan finite volume. Postprocessor meliputi pengolahan hasil visualisasi dari solver berupa penampilan kecepatan dan suhu fluida dalam 2 dimensi atau 3 dimensi dalam bentuk vektor, kontur, dan bayangan dengan warna tertentu (Versteeg dan Malalasekera, 1995).
10
Nicolai, et al. (2001) menjelaskan bahwa pemecahan persamaan matematik dalam CFD ini menggunakan metode finite volume. Sistem pada persamaan keseimbangan dituliskan dalam koordinat bebas dan terintegrasi dalam pembatasan volume V dengan permukaan A.
PENDEKATAN TEORITIS
Prinsip Kerja Oven Surya Prinsip kerja oven surya sebagai berikut: Iradiasi surya akan masuk ke dalam ruang oven dengan dua cara, yaitu secara langsung atau dipantulkan melalui reflektor yang mengelilingi bagian atas ruang oven. Iradiasi surya akan masuk ke dalam ruang oven setelah melewati penutup transparan ruang oven. Iradiasi akan diserap oleh makanan yang dimasak, dinding, dan lantai oven. Energi yang diserap oleh dinding dan lantai oven selanjutnya dipindahkan ke ruang oven atau ke bahan pangan dengan cara konveksi ataupun radiasi. Beberapa energi termal akan keluar melalui dinding, lantai, dan penutup transparan. Energi yang hilang terbesar pada penutup transparan, selain terdapat lubang untuk pengeluaran uap juga ketebalannya penutup transparan sangat tipis.
Gambar 2. Pemantulan sinar surya pada reflektor oven surya
12
Secara skematis, aliran energi pada oven surya sebagai berikut:
Gambar 3. Skema aliran energi pada oven surya
13
Fokus Oven Surya Berdasarkan Pendekatan Geometri Ropiudin (2001) membuat persamaan geometri untuk menentukan arah jatuhnya sinar surya. Persamaan tersebut berfungsi untuk menetapkan titik fokus guna menempatkan lokasi alat masak berada. Selisih antara sudut datang dikurangi (90-β), apabila bernilai positif berarti dipantulkan ke dalam ruang oven dan apabila bernilai negatif atau sama dengan nol berarti dipantulkan keluar. Permukaan reflektor diasumsikan datar, sehingga sinar yang mengenai reflektor akan dipantulkan sesuai dengan HK. Pemantulan Snellius. 1. Reflektor atas (sisi dan pojok)
Keterangan: 1. Kemiringan untuk reflektor sisi atas = 70o, sehingga sinar surya yang masuk adalah sinar surya dengan sudut datang 20 s.d. 90o. 2. Kemirinagn untuk reflektor pojok atas = 80o, sehingga sinar surya yang masuk adalah sinar surya dengan sudut datang 10 s.d. 90o.
2a. Reflektor sisi bawah
Keterangan: Kemiringan untuk reflektor sisi atas = 70o, sisi bawah = 55o, sehingga sinar surya yang masuk adalah sinar surya dengan sudut datang 35 s.d. 75o.
2b. Reflektor pojok bawah
Keterangan: Kemiringan untuk reflektor sisi atas = 80o, sisi bawah = 65o, sehingga sinar surya yang masuk adalah sinar surya dengan sudut datang 25 s.d. 75o.
Gambar 4. Asumsi sudut datang surya pada reflektor
14
Persamaan sinar datang surya: A. Sebelum pukul 12:00 WIB (merupakan garis yang mewakili sinar surya bergradien positif) ya = -cotθz x + 38.7 (1) B. Setelah pukul 12:00 WIB (merupakan garis yang mewakili sinar surya bergradien negatif) ya = (38.7/(60.9-38.7*tanθz)) x – ((38.7*60.9)/(60.9-38.7*tanθz)) + 38.7 (2)
Gambar 5. Geometri dalam bagian oven surya Tabel 1. Persamaan garis pada bidang datar reflektor No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Persamaan y1 = -2.09 x + 38.7 y2 = -1.32 x + 30.28 y3 = 1.32 x – 49.4 y4 = 2.09 x – 88.7 y5 = 38.7 y6 = 18.2 y7 = 15.8 y8 = 2.8 y9 = 0 x10 = 23.0 x11 = 17.9
Fungsi Pembatas 0 ≤ x ≤ 11.0 11.0 ≤ x ≤ 23.0 37.9 ≤ x ≤ 49.9 51.1 ≤ x ≤ 60.9 0 ≤ x ≤ 60.9 9.8 ≤ x ≤ 23.0; 37.9 ≤ x ≤ 51.1 23.0 ≤ x ≤ 37.9 20.8 ≤ x ≤ 23.0; 37.9 ≤ x ≤ 40.1 23.0 ≤ x ≤ 37.9 0 ≤ y ≤ 38.7 0 ≤ y ≤ 38.7
Beberapa batasan guna menghitung luasan reflektor yang terkena sinar matahari disajikan pada Lampiran 4.
15
Garis-garis yang mewakili untuk pembuatan model: y1 y2 y3 y4 y5 y6
= = = = = =
y7 = y8 y9 x10 x11
= = = =
Garis yang mewakili badan reflektor sisi atas Garis yang mewakili badan reflektor sisi bawah Garis yang mewakili badan reflektor sisi bawah Garis yang mewakili badan reflektor sisi atas Garis bantu horisontal pada luasan atas Garis yang mewakili panjang tepi bawah reflektor sisi atas atau tepi atas reflektor sisi bawah Garis yang mewakili panjang tepi bawah reflektor sisi atas atau tepi atas reflektor sisi bawah Garis yang mewakili tepi bawah reflektor pojok bawah Garis yang mewakili plastik transparan Garis yang mewakili panjang badan reflektor sisi atas dan sisi bawah Garis yang mewakili panjang badan reflektor sisi atas dan sisi bawah
7
8
9
(a) Keterangan: 1. Tepi atas reflektor sisi atas 2. Badan reflektor sisi atas 3. Tepi bawah reflektor sisi atas 4. Tepi atas reflektor pojok atas 5. Badan reflektor pojok atas 6. Tepi bawah reflektor pojok atas
(b)
(c)
(d)
7. Tepi atas reflektor sisi bawah 8. Badan reflektor sisi bawah 9. Tepi bawah reflektor sisi bawah 10. Tepi atas reflektor pojok atas 11. Badan reflektor pojok bawah 12. Tepi bawah reflektor pojok bawah
Gambar 6. Bentuk geometri reflektor; (a) Sisi atas (U1, B1, S1, T1), (b) Pojok atas (U1a, U1b, S1a, S1b), (c) Sisi bawah (U2, B2, S2, T2), dan (d) Pojok bawah (U2a, U2b, S2a, S2b)
16
Pemodelan Matematika dengan Pendekatan Lump
Gambar 7. Skema dan aliran energi dalam oven surya Ropiudin et al. (2005 dan 2006) memodelkan keseimbangan energi pada oven surya pada beberapa bagian dalam oven surya sebagai berikut: Keseimbangan energi dalam utensil dinyatakan sebagai:
mu Cpu
dTu = C (1− ρ ) Aut I (t ) (τ α ) − hw Aut (Tu − Tw ) − hu Aus (Tu − To ) dt
(3)
Keseimbangan energi pada air yang dimasak sebagai berikut: mw Cp w
dTw = hu Aus (Tu − Tw ) − U u Aus (Tw − To ) dt
(4)
Adapun keseimbangan energi pada ruang oven dinyatakan sebagai: ma Cpa
dTo = hu Aus (Tu − To ) − U o Ao (To − Ta ) dt
(5)
Keseimbangan energi pada oven surya dibuat berdasarkan beberapa asumsi berikut: (1) kapasitas panas penutup transparan diabaikan karena cukup kecil bila dibandingkan dengan fluida yang dimasak, (2) suhu udara di sekitar reflektor (To2) bernilai sama dengan suhu lingkungan oven surya (To1), dan (3) kehilangan panas pada bagian dasar ruang oven diabaikan. Pada kondisi kuasi steady state diperoleh persamaan akhir:
To =
Z 6 Z1 I + Ta Z2 Z7
(6)
17
Sedangkan pada kondisi unsteady state diperoleh persamaan akhir sebagai berikut:
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 Z2 Z2
(7)
dimana: Z1 =
C (1 − ρ )Aut (τα ) , mu Cpu
Z2 =
hw Aut mu Cpu
Z3 =
Z4 =
hu Aus mw Cpw
Z5 =
U u Aus mw Cpw
Z6 =
hu Aus ma Cpa
Z7 =
U o Ao ma Cpa
hu Aus mu Cpu
(8)
Nilai hu dicari dengan dengan menentukan bilangan biot, prandtl, grashof, rayleigh, dan Nusselt (Lampiran 5). Sedangkan U dicari berdasarkan gabungan pindah panas yang terjadi dalam ruang oven ke dinding dalam (konveksi), dalam dinding (konduksi), dinding luar dengan lingkungan (konveksi), ruang oven ke transparan (konveksi), dan transparan ke lingkungan (konveksi).
Pemodelan Matematika dengan Pendekatan Spasial
Metode finite volume menggunakan bentuk integral pada persamaan keseimbangan. Disini didefinisikan kontrol volume terhadap batas menggunakan beberapa node. Bentuk integral pada persamaan keseimbangan yang digunakan sebagai berikut:
∫ fdS = ∑ ∫ fdS S
k Sk
(9)
18
Gambar 8. Penentuan node pada koordinat Cartesian 2D
Sharedmuka Face Bagian z
Shared BagianOpposing muka Faces berlawanan
Bagian pojok Shared Edge
y x
Shared Opposing Bagian pojok Edges berlawanan
Bagian Sharedpuncak Vertex
Bagian puncak Shared Opposing berlawanan Vertices
Gambar 9. Penempatan node koordinat Cartesian 3D Kode CFD
Pemecahan simulasi menggunakan software CFD, yaitu: Fluent 6.11 dan pembentukan geometri alat menggunakan software Gambit 2.2.302. Kode CFD mengandung tiga elemen utama, yaitu: pre-processor, solver, dan post-processor.
1. Pre-processor 1 2
Fluent inc. Fluent inc.
19
Pre-processor terdiri atas 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. Beberapa hal yang dilakukan pada tahap ini, yaitu: a. Mendefinisikan geometri daerah yang dikehendaki: perhitungan domain. b. Pembentukan grid pada setiap domain ke dalam jumlah yang lebih kecil dan subdomain yang tidak saling tumpang tindih: berupa grid/mesh pada sel atau volume kontrol. c. Pemilihan fenomena kimia dan fisika yang dibutuhkan untuk dimodelkan. d. Menentukan sifat-sifat fluida (konduktivitas, viskositas, massa jenis, panas jenis, dsb). e. Menentukan kondisi batas yang sesuai pada sel yang merupakan batas domain. Pendefinisian boundary condition dan initial condition berdasarkan bentuk saluran dalam ruang oven surya. Oven surya digambarkan sebagai balok dalam koordinat Cartesian. Kondisi batas dinyatakan sebagai berikut: vd = 0 dan vt = 0
Pemecahan masalah aliran (kecepatan, tekanan, suhu, dan lainnya) didefinisikan pada titik (nodal) di dalam tiga sel. Ketepatan CFD dibentuk oleh sejumlah sel di dalam grid. Secara umum semakin besar jumlah sel, ketelitian hasil pemecahan semakin baik. Mesh yang optimal tidak selalu seragam, semakin halus pada bagian yang memiliki variasi cukup besar dan semakin kasar untuk bagian yang relatif tidak banyak perubahan.
2. Solver
Proses solver pada Fluent 6.1 menggunakan metode numerik: finite volume. Metode finite volume dikembangkan dari finite difference khusus. Algoritma numerik metode ini terdiri atas tiga tahap, yaitu: a. Tahap I; aproksimasi variabel aliran yang tidak diketahui menggunakan fungsi sederhana. b. Tahap II; diskretisasi dengan mensubstitusi hasil aproksimasi ke dalam persamaan aliran dan manipulasi matematik berikutnya. c. Tahap III; penyelesaian persamaan aljabar.
20
Persamaan atur aliran fluida dinyatakan dalam hukum kekekalan fisika dalam bentuk matematis, sebagai berikut: a. Massa fluida kekal. b. Laju perubahan momentum sama dengan resultansi gaya pada partikel fluida (Hukum II Newton). c. Laju perubahan energi sama dengan resultansi laju panas yang ditambahkan dan laju kerja yang diberikan pada partikel pada partikel fluida (Hukum I Termodinamika). Berikut dijelaskan persamaan matematik yang digunakan oleh ketiganya: a. Kekekalan massa dalam tiga dimensi: kuasi steady state Keseimbangan massa untuk elemen fluida dituliskan secara matematik sebagai persamaan kontinuitas: ∂ (ρu ) ∂ (ρv ) ∂ (ρw ) + + =0 ∂y ∂x ∂z
(10)
b. Persamaan momentum dalam tiga dimensi: kuasi steady state Persamaan momentum merupakan persamaan Navier-Stokes dalam bentuk sesuai dengan metode finite volume: Momentum x: ⎡∂ 2u ∂2u ∂2u ⎤ ⎡ ∂u ∂p ∂u ∂u ⎤ ρ⎢u +v +w ⎥ = + μ⎢ 2 + 2 + 2 ⎥ + S Mx ∂y ∂z ⎦ ∂x ∂y ∂z ⎦ ⎣ ∂x ⎣ ∂x
(11)
Momentum y: ⎡∂2v ∂2v ∂2v⎤ ⎡ ∂v ∂p ∂v ∂v ⎤ + μ⎢ 2 + 2 + 2 ⎥ + S My ρ⎢u +v +w ⎥ = ∂y ∂y ∂z ⎦ ∂y ∂z ⎦ ⎣ ∂x ⎣ ∂x
(12)
Momentum z: ⎡∂ 2 w ∂ 2 w ∂ 2 w ⎤ ⎡ ∂w ∂p ∂w ∂w ⎤ + μ⎢ 2 + 2 + 2 ⎥ + SMz ρ⎢u +v +w ⎥ = ∂z ∂y ∂z ⎦ ∂y ∂z ⎦ ⎣ ∂x ⎣ ∂x
(13)
c. Persamaan energi dalam tiga dimensi: kuasi steady state Persamaan energi diturunkan berdasarkan Hukum I Termodinamika yang menyatakan bahwa laju perubahan energi partikel sama dengan laju penambahan panas ke dalam partikel fluida ditambahkan dengan jalu kerja yang diberikan pada partikel. Secara matematis, persamaan energi dalam tiga dimensi dinyatakan sebagai:
21
⎡ ∂ 2T ⎡ ∂T ∂T ∂T ⎤ ∂ 2T ∂ 2T ⎤ ρ ⎢u +v + w ⎥ = k ⎢u +v +w ⎥ ∂y ∂z ⎦ ∂y ∂z ⎦ ⎣ ∂x ⎣ ∂x
(14)
d. Persamaan state Kecepatan fluida selalu mencari keseimbangan secara termodinamika, kecuali adanya gangguan. Jika digunakan variabel ρ dan p, maka persamaan state untuk p dan i adalah: P = p(ρ, T) dan i = i(ρ, T) untuk gas ideal: p = ρ R T dan i = C v T
3. Post-processor
Seluruh hasil yang dilakukan pada tahap sebelumnya akan ditampilkan dalam post-processor yang meliputi: tampilan geometri domain dan grid, plot vektor, plot permukaan 2D dan 3D, tracking partikel, manipulasi pandangan, dan output warna.
BAHAN DAN METODE PERCOBAAN
Waktu dan Tempat Percobaan dilaksanakan selama lima bulan, yaitu: April sampai September 2006. Adapun tempat percobaan yaitu: Lab. Surya, Bagian Energi dan Elektrifikasi Pertanian, Departemen Teknik Pertanian, IPB Bogor.
Bahan dan Alat Bahan yang digunakan yaitu: air. Adapun peralatan yang digunakan meliputi: oven surya, piranometer model MSA-42A (ketelitian 0.001 mV), Hibrid recorder model HR-2500E, termokopel jenis CC tipe T (ketelitian 0.1oC), timbangan digital model AND tipe EK-1200A (ketelitian 0.01 g), anemometer model AM-4204HA, dan Jangka sorong.
Prosedur Percobaan Percobaan dilakukan dalam tiga tahap berikut: (1) pengukuran pada kondisi kuasi steady state, (2) pengukuran pada kondisi unsteady state, dan (3) validasi model dan simulasi.
A. Pengukuran pada kondisi Unsteady State Pengukuran dilakukan di ruang terbuka dengan sumber energi iradiasi surya. Iradiasi surya yang diterima berubah tiap waktu (unsteady). Variabel pengukuran meliputi: iradiasi surya, suhu, dan kecepatan udara.
Pengukuran Iradiasi Surya Pengukuran dilakukan menggunakan pyranometer terhadap iradiasi sesaat yang diterima bumi tiap 5 menit. Iradiasi yang dicatat adalah iradiasi global yang berupa iradiasi langsung dan iradiasi baur.
23
Pengukuran Suhu Pengukuran suhu dilakukan dengan menggunakan termokopel CC tipe T yang dihubungkan dengan hibrid recorder. Titik pengukuran suhu sebagai berikut: (a) suhu dalam ruang oven, dibagi dalam mesh volume yang terdiri atas 27 titik pengukuran, (b) suhu dinding luar ruang oven surya yang terdiri atas satu titik pengukuran, dan (c) suhu lingkungan yang terdiri atas satu titik pengukuran. Pengukuran dilakukan dalam keadaan ruang oven diberi beban pemasakan (air) dan tanpa beban pemasakan. Pada pengukuran dengan beban pemasakan, jumlah mesh volume bagian tengah digunakan untuk mengukur suhu air dan wadah air. Wadah air yang digunakan untuk memasak dibiarkan terbuka.
Pengukuran Kecepatan Udara Kecepatan udara yang diukur adalah kecepatan udara yang keluar dari ruang oven pada penutup transparan dan di sekitar reflektor. Pengukuran dilakukan di atas lubang penutup transparan. Pengukuran dilakukan menggunakan anemometer tiap 5 menit.
B. Pengukuran pada kondisi Kuasi Steady State Pengukuran dilakukan di ruangan menggunakan simulasi iradiasi lampu sebagai sumber energi. Iradiasi dibuat konstan (steady) untuk lima nilai iradiasi. Variabel pengukuran meliputi: iradiasi lampu, suhu, dan kecepatan udara.
Pengukuran Iradiasi Buatan Pengukuran dilakukan menggunakan pyranometer terhadap iradiasi buatan yang diberikan oleh lampu tiap 5 menit selama dua jam untuk tiap-tiap nilai iradiasi. Pengukuran dilakukan bersamaan dengan percobaan pemasakan oven surya.
Pengukuran Suhu Pengukuran suhu dilakukan dengan menggunakan termokopel CC tipe T yang dihubungkan dengan hibrid recorder. Titik pengukuran suhu sebagai berikut: (a) suhu dalam ruang oven yang dibagi dalam mesh volume berupa 27 titik
24
pengukuran, (b) suhu dinding luar ruang oven surya yang terdiri atas satu titik pengukuran, dan (c) suhu lingkungan. Pengukuran dilakukan dalam keadaan ruang oven dengan beban pemasakan (air) dan tanpa beban pemasakan. Pada pengukuran dengan beban pemasakan, jumlah mesh volume bagian tengah digunakan untuk mengukur air dan wadah air. Wadah air dibiarkan terbuka. Interval pengukuran tiap lima menit selama dua jam untuk tiap-tiap nilai iradiasi.
Pengukuran Kecepatan Udara Kecepatan udara yang diukur adalah kecepatan udara yang keluar dari ruang oven pada penutup transparan dan di sekitar reflektor. Pengukuran dilakukan di atas lubang penutup transparan. Pengukuran dilakukan menggunakan anemometer tiap 5 menit selama dua jam untuk tiap-tiap nilai iradiasi.
E. Validasi dan Simulasi Validasi dilakukan terhadap model yang dibuat terhadap hasil pengukuran pada kondisi kuasi steady state dan unsteady state. Hasil pengukuran dan hasil model dibandingkan ke dalam kurva fitting untuk melihat kesesuaian keduanya. Kesesuaian dinyatakan dengan nilai R2.
Tabel 2. Tabulasi pengukuran pada kondisi kuasi steady state dan unsteady state Jenis Pengukuran Kuasi steady state
Unsteady state
Pengukuran Iradiasi Suhu v v v v v v v v v v v v v v v v v
Bahan v
Kondisi Oven Surya Reflektor Lubang Transparan v v v v v v v v v v v
25
(a)
19
20
21
1
10
19
3
12
21
10
11
12
4
13
22
6
15
24
1
2
3
7
16
25
9
18
27
(b)
(c)
(d)
1
2
3
19
20
21
10
11
12
4
5
6
22
23
24
13
14
15
7
8
9
25
26
27
16
17
18
(e)
(f)
(g)
Gambar 10. Titik pengukuran pada oven surya; (a) tampak isometri, (b) penutup transparan, (c) dinding dalam tampak kiri, (d) dinding dalam tampak kanan, (e) dinding dalam tampak depan, (f) dinding dalam tampak belakang, dan (g) irisan tengah yang sejajar dengan tampak depan
26 Mulai
Pemodelan matematika ya Model matematika untuk sistem termal; lump dan spasial
tidak
tidak
Steady state
Ada beban pemasakan
Pengukuran: T oven, I surya, v udara
ya
ya
Ada beban pemasakan
tidak
tidak
Pengukuran: T oven, I lampu, v udara
Pengukuran: T oven, I surya, t pemasakan, v udara
ya Diskretisasi pers. atur dan pemecahannya dengan CFD
Data pengukuran unsteady state
Pengukuran: T oven, I lampu, t pemasakan, v udara
Data pengukuran steady state
Validasi model
tidak
Nilai validasi baik
ya Simulasi
Pengembangan disain
Selesai
Gambar 11. Diagram alir penelitian
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
40
30
40
30
20
20
20
10
10
-
-10
70
50
60
40
-30
50
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
30
50
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
100
800
90
700
80 70 500
60 50
400
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 Z 3 Z1 Δt 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
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan Model matematika pada sistem termal sudah diperoleh dengan baik. Model diperoleh pada pendekatan lump dan spasial. Model menghasilkan nilai validasi yang cukup baik sebesar 0.826 dengan galat rata-rata sebesar 13.45% dan standar deviasi sebesar 12.46oC pada kondisi kuasi steady state dan 0.772 dengan galat rata-rata sebesar 14.36% dan standar deviasi sebesar 12.29oC pada kondisi unsteady state. Titik fokus untuk pemasakan terletak pada ruang oven dengan ketinggian 33.5 mm dan mendatar pada titik tengah ruang oven pada nilai C =7.9. Guna mendapatkan disain yang efisien, pemasakan dilakukan pada titik fokus tersebut. Hasil simulasi pada iradiasi konstan 600 W/m2 menunjukkan air dapat dimasak selama 5 menit diperoleh pada nilai C = 52.
Saran Penyempunaan model matematika yang telah dibuat dengan merubah beberapa asumsi yang telah digunakan. Hasil model dapat digunakan untuk mendapatkan pengembangan disain oven surya yang lebih baik lagi. Perlu pengembangan disain oven surya untuk meningkatkan performansi dengan membuat disain oven surya dengan C = 52 dan konfigurasi reflektor mengelilingi ruang oven dengan mengatur sudut kemiringannya supaya energi surya masuk ke ruang oven.
DAFTAR PUSTAKA
Ahmad, B. 2000. Users and Disusers of Box Solar Cookers in Urban India – Implications for Solar Cooking Projects. Solar Energy, Vol. 69 (Suppl.), No, 1-6, pp. 209-215. Elsevier Ltd. UK. Algifri, A. dan AL-Towaie, H. 2001. Efficient Orientation Impacts of BoxType Solar Cooker on the Cooker Performance. Solar Energy, Vol.70, No.2, pp.165–170. Elsevier Ltd. UK. Ali, BSM., et al. 2000. Design and Testing of Sudanese Solar Box Cooker. Renewable Energy, Vol. 21, pp. 573-581. Elsevier Ltd. UK. Al-Saad, MA. dan BA. Jubran. 1991. The Performance of a Low Cost Clay Solar Cooker. Renewable Energy Vol. 1, No. 5-6, pp. 617-621. Elsevier Ltd. UK. Balzar, A., et al. 1996. A Solar Cooker using Vacuum-Tube Collectors with Integrated Heat Pipes. Solar Energy, Vol. 58, No. 1-3, pp. 63-68. Elsevier Ltd. UK. Beaumont, G., et al. 1997. Ultra Low Cost Solar Cookers: Design Details and Field Trials in Tanzania. Renewable Energy, Vol. 10, No. 4, pp. 635-40. Elsevier Ltd. UK. Bird, RB., Stewart, WE., dan Lightfoot, EN. 1960. John Wiley & Sons, Inc. New York, USA.
Transport Phenomena.
Buddhi, D. dan LK. Sahoo. 1997. Solar Cooker with Latent Heat Storage: Design and Experimental Testing. Energy Convers. Mgmt, Vol. 38, No. 5, pp. 493-498. Elsevier Ltd. UK. Buddhi, D., et al. 2003. Thermal Performance Evaluation of a Latent Heat Storage Unit for Late Evening Cooking in a Solar Cooker Having Three Reflectors. Energy Conversion and Management, Vol. 44, pp. 809–817. Elsevier Ltd. UK. Carmody, ER. dan AU. Sarkar. 1997. Solar Box Cookers: Towards a Decentralized Sustainable Energy Strategy for Sub-Saharan Africa. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. I, No. 4 pp. 291-301. Elsevier Ltd. UK. Chapra, SC. 2005. Applied Numerical Methods with MATLAB for Engineers and Scientists. McGraw-Hill Companies Inc. New York, USA. Chaudhuri, TK. 1999. Estimation of Electrical Backup for Solar Box Cooker. Renewable Energy, Vol. 17, pp. 569-572. Elsevier Ltd. UK. Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral. 2003. Kebijakan Pengembangan Energi Terbarukan dan Konservasi Energi. www. djlpe.go.id. diakses: 11 April 2004. Jakarta. Duffie, JA. dan Beckman, WA. 1980. Solar Engineering of Thermal Processes. John Wiley & Sons. New York, USA.
44 Ekechukwu, OV. dan NT. Ugwuoke. 2003. Design and Measured Performance of A Plane Reflector Augmented Box-Type Solar-Energy Cooker. Renewable Energy, Vol. 28, No. 1935–1952. Elsevier Ltd. UK. El-Sebaif, AA. dan S. Aboul-Enein. 1997. A Box-Type Solar Cooker with One-Step Outer Reflector. Energy, Vol. 22, No. 5, pp. 515-524. Elsevier Ltd. UK. El-Sebaii, AA. 1997. Thermal Performance of a Box-Type Solar Cooker with OuterInner Reflectors. Energy, Vol. 22, No. 10, pp. 969-978. Elsevier Ltd. UK. El-Sebaii, AA. dan A. Ibrahim. 2005. Experimental Testing of a Box-Type Solar Cooker using the Standard Procedure of Cooking Power. Renewable Energy, Vol. 30, pp. 1861–1871. Elsevier Ltd. UK. Fletcher, CAJ. 1991. Computational Techniques for Fluid Dynamics 1: Fundamental and General Techniques 2nd ed. Springer-Verlag. Berlin, Germany. Fundk, PA. dan DL. Larson. 1998. Parametric Model of Solar Cooker Performance. Solar Energy, Vol. 62, No. 1, pp. 63-68. Elsevier Ltd. UK. Gaur, A., et al. 1999. Performance Study of Solar Cooker with Modified Utensil. Renewable Energy, Vol. 18, pp. 121-129. Elsevier Ltd. UK. Hararsingh, I. dan La. Mc Dgom. 1996. A Natural Convection Flat-Plate Collector Solar Cooker With Short Term Storage. WREC 1996. Elsevier Ltd. UK. Hussain, M. dan MSI. Khan. 1996. Fabrication of and Performance Studies on a Low Cost Solar Cooker Having an Inclined Aperture Plane. WRBC 1996. Elsevier Ltd. UK. Hussain, M., et al. 1997. Auxiliary Heating. Elsevier Ltd. UK.
The Performance of a Box-Type Solar Cooker with Renewable Energy, Vol. 12, No. 2, pp. 151-155.
Kamaruddin, A. 1997. Rancangan Sistem Pengering Energi Surya dengan Efek Rumah Kaca. di dalam Anonim. Rancang Bangun Sistem Termal untuk Produk Perkebunan. Bahan Pelatihan Singkat 3-6 Maret 1997. FatetaIPB Bogor. Kamaruddin, A., Dhalhar, MA. dan Fujii, K. Matematika Terapan. JICA-IPB. Bogor. Kammen, DM. 1990. Comparative Study of Box-Type Solar Cookers In Nicaragua. Solar & Wind Technology Vol. 7, No. 4. pp. 463-471. Elsevier Ltd. UK. Khalifa, AMA., et al. 1986. On Prediction of Solar Cooker Performance and Cooking in Pyrex Pots. Solar & Wind Technology, Vol. 3, No. 1, pp. 1319. Elsevier Ltd. UK. Kumar, S. 2004. Natural Convective Heat Transfer in Trapezoidal Enclosure of Box-Type Solar Cooker. Renewable Energy, Vol. 29, pp. 211–222. Elsevier Ltd. UK.
45 Kumar, S. 2004. Thermal Performance Study of Box Type Solar Cooker from Heating Characteristic Curves. Energy Conversion and Management, Vol. 45, pp. 127–139, 2004. Elsevier Ltd. UK. Kumar, S. 2005. Estimation of Design Parameters for Thermal Performance Evaluation of Box-Type Solar Cooker. Renewable Energy, Vol. 30, pp. 1117–1126. Elsevier Ltd. UK. Kumar, S. et al. 1996. Financial Feasibility Analysis of Box-Type Solar Cookers in India. Energy, Vol. 21, No. 12, pp. 1257-1264. Elsevier Ltd. UK. Kundapur. 1999. in www.members.tripod.com/ashokk_3/index.htm. Diakses: 10 Agustus 2005. India. Mohamad, MA., et al. 1998. Design, Construction and Field Test Of Hot -Box Solar Cookers for African Sahel Region. Renewable Energy, Vol. 14, No. 1-4, pp. 49-54. Elsevier Ltd. UK. Mohsenin, NN. 1980. Thermal Properties of Foods and Agricultural Materials. Gordon and Breach Science Publishers. New York, USA. Muchtadi, TR. 1997. Petunjuk Laboratorium: Teknologi Proses Pengolahan Pangan. PAU Pangan dan Gizi, IPB. Bogor. Mullick, SC., et al. 1996. Testing of Box-Type Solar Cooker: Second Figure of Merit F2 and Its Variation with Load and Number of Pots. Solar Energy, Vol. 57, No. 5, pp. 409-413. Elsevier Ltd. UK. Mullick, SC., et al. 1997. Top Heat-Loss Factor of Double-Glazed Box-Type Solar Cooker from Indoor Experiments. Energy, Vol. 22, No. 6, pp. 559565. Elsevier Ltd. UK. Nahar, NM. 1988. Performance and Testing of a Low Cost Solar Water Heater Cum Solar Cooker. Solar & Wind Technology, Vol. 5, No. 6, pp. 611615. Elsevier Ltd. UK. Nahar, NM. 1992. Performance Studies of a Large Size Nontracking Solar Cooker. Renewable Energy, Vol. 2, No. 4-5, pp. 421-430. Elsevier Ltd. UK. Nahar, NM. 2001. Design, Development and Testing of a Double Reflector Hot Box Solar Cooker with a Transparent Insulation Material. Renewable Energy, Vol. 23, pp. 167–179. Elsevier Ltd. UK. Nahar, NM. 2003. Performance and Testing of a Hot Box Storage Solar Cooker. Energy Conversion and Management, Vol. 44, pp. 1323–1331. Elsevier Ltd. UK. Nahar, NM. et al. 1996. Performance and Testing of Two Models of Solar Cooker for Animal Feed. Renewable Energy, Vol. 7, No. 1, pp. 47-50. Elsevier Ltd. UK. Nahar, NM., et ali. 1996. A Novel Solar Cooker for Animal Feed. Convers. Mgmt, Vol. 37, No. 1, pp. 77-80. Elsevier Ltd. UK.
Energy
Nandwani, SS. 1988. Experimental and Theoretical Analysis of a Simple Solar Oven in the Climate of Costa Rica – I. Solar & Wind Technology Vol. 5, No. 2, pp. 159-170. Elsevier Ltd. UK.
46 Nandwani, SS. 1996. Solar Cookers Commentary Cheap Technology with High Ecological Benefits. Ecological Economics, Vol. 17, pp. 73-81. Elsevier Ltd. UK. Nandwani, SS. 2007. Design, Construction and Study of a Hybrid Solar Food Processor in the Climate of Costa Rica. Renewable Energy, ARTICLE IN PRESS. Elsevier Ltd. UK. Nandwani, SS. 2006. Uses of Solar Energy in Costa Rica. Renewable Energy, Vol. 31, pp. 689–701. Elsevier Ltd. UK. Narasimharaoa, AV. dan S. Subramanyam. 2003. Solar Cookers-Part I: Cooking Vesselon Lugs. Solar Energy, Vol. 75, pp. 181-185. Elsevier Ltd. UK. Nark, AKB. dan N. Tidrkmen. 1996. Modelling of A Hot Box Solar Cooker. Energy Convers. Mgmt, Vol. 37, No. 3, pp. 303-310. Elsevier Ltd. UK. Negia, BS. dan I. Purohit. 2005. Experimental Investigation of a Box Type Solar Cooker Employing a Non-Tracking Concentrator. Energy Conversion and Management, Vol. 46, pp. 577–604. Elsevier Ltd. UK. Nicolai, BM., Verboven, P. dan Scheerlinck, N. 2001. Modellling and Simulation of Thermal Process. CRC Press. New York. USA. Pejack, ER. 1991. Mathematical Model of the Thermal Performance of BoxType Solar Cookers. Renewable Energy, Vol. 1, No. 5-6, pp. 609-615. Elsevier Ltd. UK. Ramadan, MRI., et al. 1988. A Model of An Improved Low Cost-IndoorsolarCooker In Tanta. Solar & Wind Technology, Vol. 5, No. 4, pp. 387-393, 1988. Elsevier Ltd. UK. Ropiudin. 2001. Analisis Oven Surya untuk Memasak Telur dan Air. Skripsi. Fateta-IPB. Bogor. Ropiudin dan Kamaruddin, A. 2005. Thermal Analysis of Solar Oven. Proceeding WRERC&E 2005. Jakarta. Ropiudin, Nelwan, LO. dan Kamaruddin A. 2006. Thermal Modelling and Simulation on Box Type Solar Oven. Proceedings of the International Conference on Fluid and Thermal Energy Conversion 2006. Jakarta. Sharma, SD., et al. 2000. Design, Development and Performance Evaluation of a Latent Heat Storage Unit for Evening Cooking in a Solar Cooker. Energy Conversion & Management, Vol. 41, pp. 1497-1508. Elsevier Ltd. UK. Shrestha, VM. 1987. Modification of the Solar Cooker. Solar & Wind Technology, Vol. 4, No. 3, pp. 305-311. Elsevier Ltd. UK. Suharta, H. 2004. Solar Cooker in Indonesia. Doctor Thesis. Herfield Univ. London, UK. Suharta, H., et al. 1998. The Solar Oven: Development and Field-Testing of User-Made Designs in Indonesia. Solar Energy, Vol. 64, No. 4-6, pp.121–132. Elsevier Ltd. UK.
47 Suharta, H., et al. 1999. The Social Acceptibility of Solar Cooking in Indonesia. Renewable Energy, Vol. 16, pp. 1151-1154. Elsevier Ltd. UK. Suharta, H., et al. 2001. The Comparison of Three Types of Indonesian Solar Box Cookers. Renewable Energy, Vol. 22, pp. 379-387. Elsevier Ltd. UK. Suharta, H., Kamaruddin A. dan Sayigh A. 1997. Development of Design and Field Testing Through Technology Transfer of Solar Oven in Indonesia. Prosiding: ISES 1997 Solar World Congress. 24-29 Agustus 1997. Tejan, Korea. Suryanarayana, NV. and Arici, O. 2004. Design and Simulation of Thermal System. McGraw-Hill Companies Inc. New York, USA. Walton, JD., et al. 1977. A State of Art Survey of Solar Powered Pumps, Solar Cookers, and Wood Burning Stoves. Final Report 1977. Georgia Tech. Project A-2004. Georgia Institute of Technology Atlanta. Georgia, USA. Meinel, AB. dan Meinel, MP. 1977. Applied Solar Energy. Addison-Wesley Pub. Vaughan, BD. 1979. Simple Solar Cooker form India. Technology 6 (1). Elsevier Ltd. UK.
Appropriate
Ratnaswamy, et al. 1988. Low Cost Cooker. Proc. of NSEC, December 1988. Hyderabad, India. Muzumdar, NN. 1980. Solar Oven. Society. Gujarat, India.
Muzumdar Consultants, 13 Maitry
Sharm, S. dan Philip, SK. 1992. Development of Low Cost Cardboard Solar Cooker. Proc. of NSEC. New Delhi, India.
