PEMODELAN SISTEM TERMAL DAN SIMULASI PADA OVEN SURYA R O P I U D I N

Transkripsi

1 PEMODELAN SISTEM TERMAL DAN SIMULASI PADA OVEN SURYA R O P I U D I N SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2007

2 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 F

3 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 dengan galat ratarata sebesar 13.45% dan standar deviasi sebesar o C pada kondisi kuasi steady state dan dengan galat ratarata sebesar 14.36% dan standar deviasi sebesar o C 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 100 o C pada iradiasi 0 W/m 2 selama 30 menit pada kondisi tempat masak tanpa tutup.

4 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

5 KATA PENGANTAR Tiada kata yang pantas diucapkan di awal pengantar ini kecuali Alhamdulillahirobbil 'alamiin. Melalui kasih sayangnya, 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. Tementeman di SPs IPB; temanteman TEP 2004, TPP 2004, senior di Subprogram 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 saransaran 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 putraputrinya, Ayah (alm.) dan Abah (alm.) atas doa dan wejangannya serta adikadik tercinta atas semua yang telah diberikan. Terakhir dan teristimewa diuntaikan segenap kebaikan untuk isteriku tercinta, Kavadya Syska, SP, M.Si yang tidak bosanbosan 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

6 PEMODELAN SISTEM TERMAL DAN SIMULASI PADA OVEN SURYA R O P I U D I N Tesis Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains dalam bidang Ilmu Keteknikan Pertanian SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2007

7 Judul Tesis : Pemodelan Sistem Termal dan Simulasi pada Oven Surya Nama : Ropiudin NIM : F 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:

8 DAFTAR RIWAYAT HIDUP Ropiudin dilahirkan di Cirebon, 21 Juli Penulis merupakan putra pertama dari pasangan H. Romli (Alm.) dan Hj. Ropiah. Penulis memiliki seorang isteri bernama Kavadya Syska yang dinikahi pada 3 Agustus 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 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, subprogram 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 (ISLFD). 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.

9 DAFTAR ISI DAFTAR ISI.. DAFTAR TABEL.. DAFTAR GAMBAR. DAFTAR LAMPIRAN. DAFTAR SIMBOL... i ii iii v vi PENDAHULUAN... 1 Latar Belakang 1 Tujuan. 3 Manfaat... 3 TINJAUAN PUSTAKA... 4 Sumber dan Kebutuhan Energi untuk Memasak 4 Tipetipe Pemasak Surya... 4 Perkembangan Penelitian Pemasak Surya... 4 Pendekatan dalam Pemodelan Sistem Termal... 6 Computational Fluid Dynamics (CFD)... 6 PENDEKATAN TEORITIS 11 Prinsip Kerja Oven Surya Fokus Oven Surya Berdasarkan Pendekatan Geometri Pemodelan dengan Pendekatan Lump Pemodelan dengan Pendekatan Spasial Kode CFD BAHAN DAN METODE PERCOBAAN Waktu dan Tempat.. 22 Bahan dan Alat Prosedur Percobaan 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 SIMPULAN DAN SARAN DAFTAR PUSTAKA 43 LAMPIRAN... 48

10 ii DAFTAR TABEL Tabel 1. Persamaan garis pada bidang datar reflektor Tabel 2. Tabulasi pengukuran pada kondisi kuasi steady state dan unsteady state Tabel 3. Hasil percobaan lama pemasakan air Tabel 4. Hasil simulasi lama pemasakan dan suhu air pada beberapa nilai C (concentration ratio)... 33

11 iii DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Perkembangan penelitian pemasak surya tipe box... 6 Gambar 2. Pemantulan sinar surya pada reflektor oven surya Gambar 3. Skema aliran energi pada oven surya Gambar 4. Asumsi sudut datang surya pada reflektor Gambar 5. Geometri dalam bagian oven surya Gambar 6. Bentuk geometri reflektor; (a) Sisi atas (U 1, B 1, S 1, T 1 ), (b) Pojok atas (U 1a, U 1b, S 1a, S 1b ), (c) Sisi bawah (U 2, B 2, S 2, T 2 ), dan (d) Pojok bawah (U 2a, U 2b, S 2a, S 2b ) Gambar 7. Skema dan aliran energi dalam oven surya Gambar 8. Penentuan node pada koordinat Cartesian 2D Gambar 9. Penempatan node koordinat Cartesian 3D 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 Gambar 11. Diagram alir penelitian Gambar 12. Letak titik fokus oven surya 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 Gambar 15. Distribusi suhu pada dinding berdasarkan titik pengukuran suhu.. 29 Gambar 16. Distribusi suhu pada potongan tengah horisontal berdasarkan titik pengukuran suhu 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 Gambar 19. Perubahan suhu air dan iradiasi surya Gambar 20. Perubahan suhu air pada beberapa nilai concentration ratio Gambar 21. Perubahan suhu air pada beberapa nilai concentration ratio

12 iv dengan suhu maksimum 100 o C Gambar 22. Perubahan suhu air pada beberapa nilai C dengan ratarata iradiasi surya W/m Gambar 23. Perubahan suhu node ruang oven (tanpa reflektor) pada iradiasi konstan artificial solar irradiation sebesar W/m Gambar 24. Perubahan suhu node ruang oven (dengan reflektor) pada iradiasi konstan artificial solar irradiation sebesar W/m Gambar 25. Distribusi suhu udara pada lantai ruang oven Gambar 26. Pendugaan perubahan suhu dalam ruang oven dengan pemanasan konstan pada kondisi kuasi steady state Gambar 27. Bentuk mesh untuk pengukuran suhu pada ruang oven; (a) tampak atas, (b) tampak isometri, (c) tampak bawah, dan (d) tampak samping Gambar 28. Proses iterasi dengan metode finite volume dengan algoritma SIMPLE pada ruang oven surya 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 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 Gambar 31. Perubahan suhu pada titik pengukuran oven surya pada kondisi unsteady state... Gambar 32. Pendugaan perubahan suhu ruang oven T o pada kondisi unsteady State. Gambar 33. Pendugaan perubahan T o sepanjang waktu pada kondisi unsteady State. 41 Gambar 34. Validasi model lump pada kondisi kuasi steady state Gambar 35. Validasi model lump pada kondisi unsteady state.. 42

13 v DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Oven surya Lampiran 2. Desain oven surya Lampiran 3. Posisi bagian reflektor (2D; dua dimensi) Lampiran 4. Penentuan luasan relektor karena pengaruh posisi matahari Lampiran 5. Koefisien pindah panas konveksi (h) antara dinding dalam oven dengan ruang oven... Lampiran 6. Sifat fluida dan padatan Lampiran 7. Variabel masukan pada CFD... 63

14 vi DAFTAR SIMBOL A. LATIN Simbol Keterangan Satuan C Concentration ratio tak berdimensi A luas Permukaan m 2 U koefisien pindah panas keseluruhan W/m 2 K h koefisien pindah panas konveksi W/m 2 K Cp panas jenis kj/kgk I iradiasi surya kw/m 2 T suhu o C m massa kg t waktu detik x, y, z arah pada koordinat cartesian tak berdimensi u aliran dalam sumbu x tak berdimensi v aliran dalam sumbu y tak berdimensi w aliran dalam sumbu z tak berdimensi Z konstanta tak berdimensi B. YUNANI Simbol Keterangan Satuan ρ reflektivitas tak berdimensi Θ arah jatuh sinar surya o α absorbsivitas tak berdimensi τ transmisivitas tak berdimensi C. SUBSKRIP Simbol Keterangan Simbol Keterangan u utensil 1, 2,..., 7 urutan dalam konstanta Z ut utensil atas i urutan ke... (anggota bilangan asli) us utensil samping d dinding o ruang oven t penutup transparan a lingkungan w air

15 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 sumbersumber 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 akhirakhir 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 masalahmasalah 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,

16 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 ratarata kwh/m 2 (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

17 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 kondisikondisi 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.

18 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 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 milyar kg. Jika satu pohon muda berumur 4 tahun menghasilkan 500 kg kayu kering, maka untuk memenuhi kebutuhan energi untuk memasak dibutuhkan.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 % 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

19 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 (171799). 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 116 o C. 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 110 o C. 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 o C pada kondisi oven surya diam dan o C 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

20 pemasakan lama. Kelebihan: (1) energi yang tersedia berlimpah, (2) mencegah kerusakan hutan, polusi udara, dan menghemat penggunaan energi konvensional. 6 Perkembangan Penelitian Pemasak Surya Penelitian mengenai pemasak surya telah dilakukan oleh sejak dulu. Referensi pertama, menyebutkan bahwa penelitian pemasak surya dimulai oleh Nicholasdesaussure (171799). Penelitian mengenai pemasak surya tipe box dan kajiankajian 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. AlSaad 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

21 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 F 1 dan F 2. Nandwani (1996) menjelaskan bahwa pemasak surya merupakan teknologi berbiaya rendah tetapi memiliki keuntungan yang tinggi terhadap ekologi. ElSebaii dan Aboul Enein (1997) membuat pemasak surya tipe box dengan sebuah reflektor. ElSebaii (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 SubSaharan, 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

22 8 evaluasi terhadap unit penyimpan panas laten untuk pemasakan sore hari pada pemasak surya. Algifri dan ALTowaie (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. ElSebaii 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 nontracking. 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

23 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 19an 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: preprocessor, solver, dan postprocessor. Preprocessor 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).

24 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.

25 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

26 12 Secara skematis, aliran energi pada oven surya sebagai berikut: Gambar 3. Skema aliran energi pada oven surya

27 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 (90β), 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 = 70 o, sehingga sinar surya yang masuk adalah sinar surya dengan sudut datang 20 s.d. 90 o. 2. Kemirinagn untuk reflektor pojok atas = 80 o, sehingga sinar surya yang masuk adalah sinar surya dengan sudut datang 10 s.d. 90 o. 2a. Reflektor sisi bawah Keterangan: Kemiringan untuk reflektor sisi atas = 70 o, sisi bawah = 55 o, sehingga sinar surya yang masuk adalah sinar surya dengan sudut datang 35 s.d. 75 o. 2b. Reflektor pojok bawah Keterangan: Kemiringan untuk reflektor sisi atas = 80 o, sisi bawah = 65 o, sehingga sinar surya yang masuk adalah sinar surya dengan sudut datang 25 s.d. 75 o. Gambar 4. Asumsi sudut datang surya pada reflektor

28 Persamaan sinar datang surya: A. Sebelum pukul 12:00 WIB (merupakan garis yang mewakili sinar surya bergradien positif) y a = cotθ z x (1) B. Setelah pukul 12:00 WIB (merupakan garis yang mewakili sinar surya bergradien negatif) y a = (38.7/(.938.7*tanθ z )) x ((38.7*.9)/(.938.7*tanθ z )) (2) 14 Gambar 5. Geometri dalam bagian oven surya Tabel 1. Persamaan garis pada bidang datar reflektor No. Persamaan Fungsi Pembatas 1 y 1 = 2.09 x x y 2 = 1.32 x x y 3 = 1.32 x x y 4 = 2.09 x x.9 5 y 5 = x.9 6 y 6 = x 23.0; 37.9 x y 7 = x y 8 = x 23.0; 37.9 x.1 9 y 9 = x x 10 = y x 11 = y 38.7 Beberapa batasan guna menghitung luasan reflektor yang terkena sinar matahari disajikan pada Lampiran 4.

29 Garisgaris yang mewakili untuk pembuatan model: y 1 = Garis yang mewakili badan reflektor sisi atas y 2 = Garis yang mewakili badan reflektor sisi bawah y 3 = Garis yang mewakili badan reflektor sisi bawah y 4 = Garis yang mewakili badan reflektor sisi atas y 5 = Garis bantu horisontal pada luasan atas y 6 = Garis yang mewakili panjang tepi bawah reflektor sisi atas atau tepi atas reflektor sisi bawah y 7 = Garis yang mewakili panjang tepi bawah reflektor sisi atas atau tepi atas reflektor sisi bawah y 8 = Garis yang mewakili tepi bawah reflektor pojok bawah y 9 = Garis yang mewakili plastik transparan x 10 = Garis yang mewakili panjang badan reflektor sisi atas dan sisi bawah x 11 = Garis yang mewakili panjang badan reflektor sisi atas dan sisi bawah (a) (b) (c) (d) 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 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 (U 1, B 1, S 1, T 1 ), (b) Pojok atas (U 1a, U 1b, S 1a, S 1b ), (c) Sisi bawah (U 2, B 2, S 2, T 2 ), dan (d) Pojok bawah (U 2a, U 2b, S 2a, S 2b )

30 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: m u Cp u dt dt u ( 1 ) A I( t) ( τ α ) h A ( T T h A ( T T ) = C ρ ) (3) ut Keseimbangan energi pada air yang dimasak sebagai berikut: m w Cp w dt dt w w ut u = h A ( T T ) U A ( T T ) (4) u us u w u us w Adapun keseimbangan energi pada ruang oven dinyatakan sebagai: m a Cp a dt dt o u us ( T T ) U A T T ) u o o o = h A (5) o( o a w u us u o 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 (T o2 ) bernilai sama dengan suhu lingkungan oven surya (T o1 ), dan (3) kehilangan panas pada bagian dasar ruang oven diabaikan. Pada kondisi kuasi steady state diperoleh persamaan akhir: Z Z T = I o T a Z 2 Z 7 (6)

31 Sedangkan pada kondisi unsteady state diperoleh persamaan akhir sebagai berikut: T Z Z Δt Z3 () t ( T T ) + Z ΔtT + ( Z Δt) T u i u i 4 1 (7) 1 1 a i o i 3 1 = I o i+ + 4 Z2 Z2 dimana: Z C ( 1 ρ ) A ( τα ) ut 1 =, mucpu Z = 2 h A Z = hw Aut m Cp u U u A Z = 3 hu Aus m Cp u us u us 4 = Z5 (8) mw Cpw mw Cpw h A Z = u us 6 = Z7 ma Cpa Uo Ao m Cp a a u u 17 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 = S k Sk fds (9)

32 18 Gambar 8. Penentuan node pada koordinat Cartesian 2D z y Bagian Shared muka Face Shared Bagian Opposing muka berlawanan Faces Bagian pojok Shared Edge x Bagian Shared Opposing pojok Edges berlawanan Bagian Shared puncak Vertex Bagian Shared Opposing puncak berlawanan Vertices Kode CFD Gambar 9. Penempatan node koordinat Cartesian 3D Pemecahan simulasi menggunakan software CFD, yaitu: Fluent dan pembentukan geometri alat menggunakan software Gambit Kode CFD mengandung tiga elemen utama, yaitu: preprocessor, solver, dan postprocessor. 1. Preprocessor 1 Fluent inc. 2 Fluent inc.

33 19 Preprocessor 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 sifatsifat 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: v =0 dan v = 0 d t 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.

34 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: ( ) ( ) ( ) 0 z w y v x u = ρ + ρ + ρ (10) b. Persamaan momentum dalam tiga dimensi: kuasi steady state Persamaan momentum merupakan persamaan NavierStokes dalam bentuk sesuai dengan metode finite volume: Momentum x: Mx S z u y u x u x p z u w y u v x u u μ + = + + ρ (11) Momentum y: My S z v y v x v y p z v w y v v x v u μ + = + + ρ (12) Momentum z: Mz S z w y w x w z p z w w y w v x w u μ = + + ρ (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:

35 T T T T T T ρ u +v +w =k u +v +w (14) x y z x y z 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. Postprocessor Seluruh hasil yang dilakukan pada tahap sebelumnya akan ditampilkan dalam postprocessor yang meliputi: tampilan geometri domain dan grid, plot vektor, plot permukaan 2D dan 3D, tracking partikel, manipulasi pandangan, dan output warna.

36 BAHAN DAN METODE PERCOBAAN Waktu dan Tempat Percobaan dilaksanakan selama lima bulan, yaitu: April sampai September 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 MSA42A (ketelitian mv), Hibrid recorder model HR2500E, termokopel jenis CC tipe T (ketelitian 0.1 o C), timbangan digital model AND tipe EK1200A (ketelitian 0.01 g), anemometer model AM4204HA, 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.

37 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 tiaptiap 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

38 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 tiaptiap 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 tiaptiap 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 R 2. Tabel 2. Tabulasi pengukuran pada kondisi kuasi steady state dan unsteady state Jenis Pengukuran Kondisi Oven Surya Pengukuran Iradiasi Suhu Bahan Reflektor Lubang Transparan v Kuasi steady v v state v v v v v v v v v v v v v v Unsteady state v v v v v v v v v v v v

39 25 (a) (b) (c) (d) (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

40 26 Mulai Pemodelan matematika tidak Steady state tidak Ada beban pemasakan tidak Pengukuran: T oven, I surya, v udara ya ya ya Model matematika untuk sistem termal; lump dan spasial Ada beban pemasakan 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 Pengukuran: T oven, I lampu, t pemasakan, v udara Data pengukuran unsteady state Data pengukuran steady state Validasi model tidak Nilai validasi baik ya Simulasi Pengembangan disain Selesai Gambar 11. Diagram alir penelitian

41 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.

42 Sudut (o) :36 10:04 10:33 11:02 11:31 12:00 12:28 12:57 13:26 13:55 14:24 Waktu (WIB) Out No U1 B1 S1 T1 U1a U1b S1a S1b U2 B2 S2 T2 U2a U2b S2a S2b 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 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

43 Jarak (mm) Gambar 15. Distribusi suhu pada dinding berdasarkan titik pengukuran suhu Gambar 16. Distribusi suhu pada potongan tengah horisontal berdasarkan titik pengukuran suhu