SIMULASI RUANG INKUBATOR BAYI YANG MENGGUNAKAN PHASE CHANGE MATERIAL SEBAGAI PEMANAS RUANG INKUBATOR

Transkripsi

1 SIMULASI RUANG INKUBATOR BAYI YANG MENGGUNAKAN PHASE CHANGE MATERIAL SEBAGAI PEMANAS RUANG INKUBATOR Ferdinan A. Lubis 1, Himsar Ambarita ,2 Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara, Jl.Almamater Kampus USU Medan Medan Indonesia Abstrak Penelitian ini bertujuan untuk mensimulasikan ruang inkubator bayi dengan menggunakan perangkat lunak CFD. Simulasi yang dilakukan adalah untuk aliran steadi, incompressible, laminar, dan tiga dimensi. Inkubator bayi dengan dimensi 80 cm x 50 cm x 55 cm dipanasi dari sisi bawah dengan memanfaatkan panas radiasi matahari yang disimpan oleh Phase Change Material (PCM). PCM yang digunakan yaitu Paraffin Wax (lilin padat) yang memiliki titik leleh C. PCM dimasukkan ke dalam inkubator pada saat temperatur PCM 47 0 C dan mengalami proses perpindahan panas alamiah karena adanya perbedaan temperatur. Hasilnya temperatur ruang inkubator bayi menjadi sekitar C. Hasil simulasi menggunakan perangkat lunak CFD dengan hasil pengujian terdapat penyimpangan sebesar 10,8% dimana temperatur ruang inkubator bayi hasil simulasi sekitar 34 0 C. Kata kunci : inkubator bayi, konveksi alamiah, Phase Change Material, CFD. 1. Pendahuluan Berdasarkan Survey Demografi dan Kesehatan Indonesia (SDKI), Angka Kematian Bayi (AKB) di Indonesia yaitu 35 bayi per 1000 kelahiran. Bila dirincikan bayi meninggal per tahun atau 430 bayi per hari[2]. Angka Kematian Bayi di Indonesia masih sangat tinggi, diperkirakan setiap jam 18 bayi meninggal dunia (Badan Pusat Statisik, 2003). Sekitar 80% kematian neonatal ini terjadi pada minggu pertama, menunjukkan masih rendahnya status kesehatan bayi baru lahir dan rendahnya kualitas pelayanan rumah sakit atau puskesmas terhadap anak baru lahir tersebut. Bayi yang lahir dengan masa kehamilan kurang dari 37 minggu disebut bayi lahir prematur. Bayi dengan kelahiran yang tidak normal atau prematur kurang mampu beradaptasi dengan temperatur lingkungan luar yang mudah berubah. Oleh karena itu, bayi prematur tersebut akan sangat mudah mengalami kedinginan, sehingga dibutuhkan suatu perangkat pelindung tertentu yang dapat dikondisikan temperaturnya. Salah satu sistem instrumentasi kesehatan yang sangat penting bagi kesehatan terutama bagi bayi prematur yang baru dilahirkan adalah inkubator. Inkubator bayi adalah salah satu alat yang bisa membantu bayi baru lahir untuk beradaptasi dengan dunia luar, sebab kondisi dalam kandungan dengan dunia luar sangat berbeda terutama pada masalah suhu. Dengan sistem penghangat yang berkala, bayi dapat beradaptasi pada masa transisi tersebut. Di Indonesia, belum semua daerah memiliki jaringan listrik. Bayi-bayi yang lahir dengan masa kehamilan kurang dari 37 minggu (bayi prematur) di daerah yang belum dimasuki jaringan listrik mempunyai peluang hidup yang sangat kecil dikarenakan inkubator yang ada saat ini hanyalah inkubator dengan tenaga listrik. Inkubator baru bisa dioperasikan setelah dihubungkan dengan sumber arus listrik. Ini merupakan suatu permasalahan besar yang harus segera dicari jalan keluarnya. Indonesia merupakan daerah yang terletak di daerah khatulistiwa yaitu pada posisi 6 LU - 11 LS dan 95 BT BT yang memiliki potensi energi radiasi matahari yang sangat besar. Sepanjang tahun Indonesia mendapatkan sinar matahari, sehingga bentuk energi yang tidak terhabiskan ini dapat dimanfaatkan untuk berbagai kepentingan sebagai bentuk energi alternatif. Untuk membantu mengatasi permasalahan di atas dengan 203

2 memanfaatkan potensi energi radiasi matahari yang ada di Indonesia, diperlukan suatu inovasi teknologi yang dapat diperbaharui (renewable energy) seperti penggunaan energi matahari sebagai sumber panas pada ruang inkubator bayi. Potensi energi surya rata-rata nasional adalah 16 MJ/hari. Potensi energi surya tersebut dapat menjawab permasalahan akan kebutuhan inkubator pada daerah yang belum memiliki jaringan listrik. 2. Landasan Teori Aliran fluida baik cair maupun gas adalah suatu zat yang sangat lazim dalam kehidupan sehari-hari. Misalnya pengkondisian udara bagi bangunan dan mobil, pembakaran di motor bakar, aliran kompleks pada alat penukar kalor dan reaktor kimia, dan lain-lain, yang mana cukup menarik untuk diteliti, diselidiki, dan analisis. Untuk kebutuhan penelitian bahkan sampai dengan tingkat desain, perlu dibutuhkan suatu alat yang mampu menganalisis atau memprediksi dengan cepat dan akurat. Maka berkembanglah suatu ilmu yang dinamakan Computational Fluid Dynamic (CFD) yang dalam bahasa Indonesia dikenal dengan Komputasi Aliran Fluida Dinamik. a.pengertian Umum CFD Secara umum CFD terdiri dari dua kata yaitu sebagai berikut[4] : Computational : segala sesuatu yang berhubungan dengan matematika dan metode numerik atau komputasi. Fluid Dynamic : dinamika dari segala sesuatu yang mengalir. Ditinjau dari istilah di atas, CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi yang memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat yang mengalir. Maka secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika). b.manfaat CFD Ditinjau dari segi manfaat terdapat tiga hal yang merupakan alasan kuat kenapa harus menggunakan CFD, yakni : insight, foresight, dan efficiency (Firman Tuakia, 2008). 1. Insight Pemahaman Mendalam Apabila dalam mendesain sebuah sistem atau alat yang sulit untuk dibuat prototype-nya atau sulit untuk dilakukan pengujian, analisis CFD memungkinkan untuk digunakan secara virtual ke dalam alat/sistem yang dapat disaksikan melalui CFD yang belum tentu dapat dilihat dengan cara lainnya. 2. Foresight Prediksi Menyeluruh Dikarenakan CFD adalah alat untuk memprediksi apa yang terjadi pada alat/sistem yang didesain dengan satu atau lebih kondisi batas, maka dapat ditentukan desain yang optimal. 3. Efficiency Efisiensi Waktu dan Biaya Foresight yang diperoleh dari CFD dapat membantu untuk mendesain lebih cepat dan lebih hemat biaya. Analisis atau simulasi CFD akan mempersingat waktu riset dan desain sehingga juga akan mempercepat produk untuk sampai ke pasaran. c.proses Simulasi CFD Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan ketika melakukan simulasi pada solver CFD, yaitu sebagai berikut (Firman Tuakia, 2008) : 1. Preprocessing Hal ini merupakan langkah pertama dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD. Teknisnya adalah membuat model dalam paket CAD (Computer Aided Design), membuat mesh yang sesuai, kemudian menrapkan kondisi batas dan sifat-sifat fluidanya. 2. Solving Solvers (program inti pencari solusi) CFD menghitung kondisi-kondisi yang diterapkan saat preprocessing. 3. Postprocessing Hal ini adalah langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan pada langkah ini adalah 204

3 mengorganisasi dan menginterpretasi data hasil simulasi CFD yang biasa berupa kurva, gambar, dan animasi. Beberapa prosedur yang digunakan pada semua pendekatan program CFD, yaitu sebagai berikut[3] : Pembuatan geometri dari model atau problem. Bidang atau volume yang diisi fluida dibagi menjadi sel-sel kecil (meshing). Pendefinisian model fisiknya, misalnya : persamaan-persamaan gerak + entalpi + konversi species (zat-zat yang kita defenisikan, biasanya berupa komponen dari suatu reaktan). Pendefinisian kondisi-kondisi batas, termasuk di dalamnya sifat-sifat dan perilaku dari batas-batas model atau problem. Untuk kasus transient, kasus awal juga didefinisikan. Persamaan-persamaan matematika yang memabangun CFD diselesaikan secara iteratif, bisa dalam kondisi tunak (steady state) atau transient. Analisis dan visualisasi dari solusi CFD. d.persamaan Pembentuk Aliran Pemodelan dengan metode komputasi pada dasarnya menggunakan persamaan dasar dinamika fluida, momentum, dan energi. Persamaanpersamaan ini merupakan pernyataan matematis untuk tiga prinsip dasar fisika : 1. Hukum Kekekalan Massa (The Conservation of Mass) 2. Hukum Kekekalan Momentum (The Conservation of Momentum) sebagai interpretasi dari hukum kedua Newton (Newton Second s Law of Motion) 3. Hukum Kekekalan Energi (The Conservation Of Energi) 1.Hukum Kekekalan Massa (The Conservation of Mass) Konsep utama dari hukum ini adalah laju kenaikan massa dalam volume control adalah sama dengan laju net aliran fluida ke dalam elemen batas. Secara sederhana dapat ditulis : (1) Secara umum hukum kekekalan massa (The Conservation of Mass) 3 dimensi dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut......(2) Gambar 1.Hukum Kekekalan Massa pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi [1] 2.Hukum Kekekalan Momentum (The Coservation of Momentum) Hukum kekekalan momentum ini merupakan interpretasi dari hukum ke-2 Newton (arah sumbu-x) yaitu :...(3) Secara umum hukum kekekalan momentum (The Conservation of Momentum) arah sumbu-x 3 dimensi 205

4 dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut..(4) Dengan cara dan bentuk yang sama persamaan kekekalan momentum 3 dimensi arah sumbu-y dan arah sumbu-z dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut..(5) Gambar 3. Kerja yang Dikenakan pada Sebuah Elemen Arah Sumbu-x [1].(6) Gambar 2. Hukum Kekekalan Momentum Arah Sumbu-x pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi [1] 3.Hukum Kekekalan Energi (The Conservation of Energy) Hukum ini merupakan aplikasi dari hukum ketiga fisika (termodinamika) yaitu laju perubahan energi dalam suatu elemen adalah sama dengan jumlah net fluks panas yang masuk ke dalam elemen dan kerja yang digunakan dalam elemen tersebut. Pernyataan ini dapat ditulis dalam bentuk persamaan :. (7) Gambar 4. Fluks Panas yang Melintasi Permukaan Sebuah Elemen [1] Secara umum kerja yang dikenakan arah sumbu-x, sumbu-, dan sumbu-z dapat ditulis dengan persamaan berikut.... (8). (9). (10) 206

5 Sedangkan persamaan fluks panas yang melintasi permukaan sebuah elemen data ditulis dengan persamaan berikut.. (11) Dengan mensubtitusi persamaan (2.9) dan (2.10) ke dalam persamaan (2.8) di atas akan diperoleh sebuah persamaan (2.11), (2.12), (2.13) untuk hukum kekekalan energi dimana i, j, k = 1, 2, 3 yang menunjukkan arah sumbu-x, -y, dan z... (12) Dimana Φ adalah fungsi disipasi dengan bentuk sebagai berikut. e.diskritisasi pada CFD Pada dasarnya FLUENT hanya menghitung pada titik-titik simpul mesh geometri sehingga pada bagian di antara titik simpul tersebut harus dilakukan interpolasi untuk mendapatkan nilai kontinyu pada seluruh domain. Terdapat beberapa skema interpolasi yang sering digunakan, yaitu : - First-order upwind scheme Skema interpolasi yang paing ringan dan cepat mencapai konvergen, tetapi ketelitiannya hanya orde satu. Ketika skema ini dipilih, nilai bidang adalah sama dengan nilai pusat sell dalam sell upstream. Skema ini memungkinkan digunakan pada penyelesaian berbasis tekanan dan rapatan (density) - Second-order upwind scheme Menggunakan persamaan yang lebih teliti sampai orde 2, sangat baik digunaan pada mesh tri/tet dimana arah aliran tidak sejajar dengan mesh. Karena metode interpolasi yang digunakan lebih rumit, maka lebih lambat mencapai konvergen. Ketika skema ini dipilih, nilai bidang dikomputasi mengikuti bentuk :....(13) Dimana, dan adalah nilai pusat sell dan gradient dalam sell upstream, dan adalah vektor perpindahan dari pusat luasan sell upstream ke bidang pusat luasan. - Quadratic Upwind Interpolation (QUICK) scheme Diaplikasikan untuk mesh quad/hex dan hybrid, tetapi jangan digunakan untuk elemen mesh tri, dengan alian fluida yang berputar/swirl. Ketelitiannya mencapai orde 3 pada ukuran mesh yang seragam. Untuk bidang e pada Gambar 3.4, jika aliran dari kiri ke kanan, seperti itu nilai dapat ditulis sebagai berikut :..(14) Gambar 5. Volume control satu dimensi [3] dalam persamaan di atas hasil dalam pusat interpolasi orde 2 dimana hasil nilai orde kedua. Biasanya skema QUICK diperoleh dengan kedaaan. Implementasi pada FLUENT menggunakan variabel, solusi dependen nilai, dipilih supaya menghindari pengenalan solusi ekstrim yang baru. 207

6 3. Metode Penelitian 1. Waktu & Tempat penelitian Penelitian ini meliputi pembuatan alat, pengukuran dan pengambilan data, dan pengolahan data dilakukan dari Juli 2012 hingga Desember Adapun lokasi penelitian seperti pengukuran dan pengambilan data dilakukan di lantai 4 Gedung Magister Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. 2. Peralatan Penelitian Penelitian ini menggunakan alatalat sebagai berikut : Hobo Microstation Data Logger Termokopel tipe T (Agilent 34972A) Komputer Kontainer Solar Box dengan menggunakan alat ukur HOBO Microstation Data Logger. Pengambilan data-data tesebut dilakukan selama 1 bulan yaitu dari November sampai Desember Lalu diambil juga temperatur PCM yang ada di dalam kontainer mulai dijemur sampai PCM tersebut mencair. PCM tersebut dijemur di dalam solar box yaitu alat yang digunakan untuk menangkap/mengumpulkan panas radiasi dari matahari. PCM yang telah mencair kemudian dimasukkan ke dalam inkubator. PCM inilah yang berfungsi sebagai pemanas ruangan. Pada kontainer, PCM, dan ruangan ditempelkan kabel-kabel dari termokopel yang befungsi untuk mengukur temperatur PCM dan temperatur ruangan. Pengujian ini dilakukan mulai pukul WIB. Semua data temperatur PCM dan temperatur ruangan akan direkam oleh termokopel dan tersimpan di dalam flashdisk dalam format excell. 4. Hasil Pengujian dan Simulasi 1. Hasil Pengujian Gambar 6. Inkubator Bayi 3. Set-up Pengujian Pengujian yang dilakukan pada penelitian ini sesuai dengan tanggung jawab penulis yaitu mensimulasikan ruang inkubator bayi dengan software Computational Fluid Dynamic untuk mengetahui proses perpindahan panas di dalam ruang inkubator bayi. Penelitian ini dimulai dengan mencari referensi-referensi yang sesuai dengan topik yang diangkat. Kemudian dilakukan proses pengumpulan data yang berkaitan seperti temperatur udara harian, intesitas cahaya, data kelembaban udara Tabel 1. Pengukuran Temperatur PCM dan Temperatur Ruangan Tanggal 02 Desember 2012 Temperatur Ruangan ( 0 C) No Pukul (WIB) Temperatur PCM ( 0 C)

7 Gambar 8. Temperatur Inkubator (potongan) pada saat PCM 47 0 C Gambar 7. Grafik temperatur PCM dan temperatur ruangan pada tanggal 02 Desember Hasil Simulasi Analisis ini dilakukan untuk aliran steady, incompressible, laminar, dan tiga dimensi. Adapun parameter yang akan diuji adalah fluida yang digunakan dalam penelitian ini, yaitu udara dengan sifat fisik sebagai berikut : ρ = 1, kg/m3 cp = 1005,046 J/kg.K µ = 1,31917 x 10-5 Ns/m2 k = 2, x 10-2 W/m.K Pr = 0, Berikut adalah hasil plotting distribusi temperatur dan vektor kecepatan hasil simulasi menggunakan solver CFD. Gambar 9. Vektor Kecepatan Udara di Inkubator (keseluruhan) pada saat PCM 47 0 C Gambar 7. Temperatur Inkubator (keseluruhan) pada saat PCM 47 0 C Gambar 10. Vektor Kecepatan Udara di Inkubator (potongan) pada saat PCM 47 0 C 209

8 Gambar 11. Temperatur Inkubator (keseluruhan) pada saat PCM 46 0 C Gambar 14. Vektor Kecepatan Udara di Inkubator (potongan) pada saat PCM 46 0 C Dari hasil simulasi diperoleh bahwa temperatur udara di sekitar bayi pada saat temperatur PCM 47 0 C adalah sekitar ( ) K atau (34-37) 0 C. Pada saat temperatur PCM telah turun menjadi 46 0 C, temperatur udara di sekitar bayi juga turun menjadi di sekitar ( ) K atau (34-36) 0 C. Berikut ini adalah perbandingan temperatur antara hasil pengujian dengan hasil simulasi. Gambar 12. Temperatur Inkubator (potongan) pada saat PCM 46 0 C Gambar 15. Perbandingan hasil pengujian dan hasil simulasi Simpangan temperatur antara hasil pengujian dan hasil simulasi adalah sebagai berikut : Gambar 13. Vektor Kecepatan Udara di Inkubator (keseluruhan) pada saat PCM 46 0 C 5. Kesimpulan dan Saran Setelah melakukan pengujian dan simulasi ruangan inkubator bayi maka 210

9 dapat diambil beberapa kesimpulan antara lain yaitu, Phase Change Material yaitu paraffin wax yang digunakan sebagai pemanas (heater) ruangan dapat memberikan panas yang dibutuhkan oleh bayi yaitu temperatur 35 0 C 37 0 C, telah dilakukan simulasi untuk menampilkan proses perpindahan panas konveksi alamiah pada ruang inkubator bayi. Hasil simulasi menunjukkan kontur perubahan temperatur selama ruang inkubator bayi dipanaskan oleh PCM, dan penyimpangan temperatur antara hasil pengujian dan hasil simulasi adalah sebesar 10,8 %. Untuk kelanjutan dan pengembangan penelitian ini ke depannya, penulis menyarankan agar penelitian berikutnya hendaknya memperhatikan beberapa hal berikut ; sebaiknya penelitan berikutnya memperbanyak jumlah cells hasil meshing dari model inkubator agar penyimpangan temperatur antara hasil simulasi dan hasil pengujian tidak terlalu besar, dan sebaiknya penelitian berikutnya menggunakan jenis Phase Change Material jenis yang lain agar dapat membandingkan keefektifan penggunaan Phase Change Material sebagai pemanas ruangan inkubator bayi. Daftar Pustaka [1] Ambarita, Himsar Materi Kuliah Metode Perhitungan Dinamika Fluida. Medan : Departemen Teknik Mesin FT USU. [2] Badan Pusat Statistik, Survei Demografi Dan Kesehatan Indonesia Kerjasama antara BPS, BKKBN, Depkes, dan ORC Macro, Calverton, Maryland, USA, December [3] Fluent Inc User s Guide Version 6.3. Fluent Inc. [4] Tuakia, Firman Dasar-dasar CFD menggunakan FLUENT. Informatika : Bandung. 211