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 1 1 Sudut (o) 9:36 :04 :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 07) 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
29 789 161718 252627 Jarak (mm) 71625 8726 91827 Gambar 15. Distribusi suhu pada dinding berdasarkan titik pengukuran suhu 456 131415 222324 14 0 0 41322 51423 61524 14 0 Gambar 16. Distribusi suhu pada potongan tengah horisontal berdasarkan titik pengukuran suhu
1112 131415 161718 14 0 14 0 1316 111417 121518 14 0 Gambar 17. Distribusi suhu pada potongan tengah vertikal berdasarkan titik pengukuran suhu 123 456 789 1.0.0.0.0.0.0 147 258 369 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 ke Iradiasi surya ratarata (W/m 2 ) Massa awal (g) Massa akhir (g) Lama pemasakan (menit) 1 781.5 75 38.7 1 2 725.3 75 41.3 85 3 768.9 75 31.6 1 4 658.5 75 35.7 Ratarata 733.6 75 36.8 116.3 1,000 0 0 Iradiasi Surya (W/m 2 ) 0 0 0 0 0 Suhu ( o C) 0 :00 : : 11:00 11: 11: 12:00 12: 12: 13:00 13: 13: 14:00 Jam Iradiasi Surya Air Gambar 19. Perubahan suhu air dan iradiasi surya
32 Perubahan Nilai C Terhadap Lama Pemasakan Iradiasi Surya (W/m 2 ) 0 0 0 0 0 0 0 4 0 3 0 2 0 1 Suhu Air ( o C) :00 :15 : :45 11:00 11:15 11: 11:45 12:00 12:15 12: Jam (WIB) Iradiasi C = 7.9 C = 16 C = 24 C = 32 C = C = 48 C = 56 C = 64 Gambar. Perubahan suhu air pada beberapa nilai C 0 0 Iradiasi Surya (W/m 2 ) 0 0 0 0 0 Suhu Air ( o C) :00 :15 : :45 11:00 11:15 11: 11:45 12:00 12:15 12: Jam (WIB) Iradiasi C = 7.9 C = 16 C = 24 C = 32 C = C = 48 C = 56 C = 64 Gambar 21. Perubahan suhu air pada beberapa nilai C dengan suhu maksimum o C
33 0 3 0 Suhu Air ( o C) 2 0 1 :00 : 11:00 11:31 12:01 12:31 Jam (WIB) C = 7.9 C = 16 C = 24 C = 32 C = C = 48 C = 56 C = 64 Gambar 22. Perubahan suhu air pada beberapa nilai C dengan ratarata iradiasi surya 335.6 W/m 2 Tabel 4. Hasil simulasi lama pemasakan dan suhu air pada beberapa nilai C (concentration ratio) Ratarata Lama Suhu Air ( o C) C Iradiasi Surya Pemasakan Ratarata (W/m 2 ) (menit) Min Max 7.9 0 73.0.4 27.0.0 16 0 44.2 95.8 27.0.0 24 0 32.6.7 27.0.0 32 0 15.5 135.6 27.0.0 0 11.4 168.5 27.0.0 48 0 7.9 183.8 27.0.0 52 0 5.0 1.4 27.0.0 56 0 2.6 195.8 27.0.0 64 0 1.5 211.4 27.0.0
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 65 Suhu ( o C) 55 45 35 25 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 12 13 14 Waktu (menit) 2 5 8 11 14 23 26 29 Gambar 23. Perubahan suhu node ruang oven (tanpa reflektor) pada iradiasi konstan Artificial Solar Irradiation sebesar 928.57 W/m 2 2 0 Suhu ( o C) 1 0 0 5 15 25 Waktu(menit) 2 5 8 11 14 23 26 29
35 Gambar 24. Perubahan suhu node ruang oven (dengan reflektor) pada iradiasi konstan Artificial Solar Irradiation sebesar 928.57 W/m 2 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. 1 1 Suhu (C) 0 0 Jarak (m m ) Gambar 25. Distribusi suhu udara pada lantai ruang oven 0 1 0 1 JARAK (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 Z 1, Z 2, Z 3, dan Z 4. Pada saat iradiasi surya bernilai nol, suhu ruang oven adalah seimbang dengan suhu lingkungan. Hal ini sesuai dengan Hukum II Termodinamika. 1 1 1 To ( o C) Data Calculated 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Solar irradiation (W/m 2 ) Gambar 27. Pendugaan perubahan suhu dalam ruang oven dengan pemanasan konstan pada kondisi kuasi steady state Kemiringan pada grafik hasil perhitungan dipengaruhi oleh konstanta Z 1, Z 2, Z 3, dan Z 4. Pada nilai m u = 0.075 kg, m a = 0.0024 kg, Cp u = 4216 J/kg o C, Cp a = 6 J/kg o C, h u = 5.6 W/m 2o C (v = 0 m/s), U = 0.775 W/m 2o C, C = 7.9, A o = 0.087 m 2, A us = 0.0115 m 2, A ut = 0.0033 m 2, ρ = 0.75, τα = 0.9 diperoleh persamaan garis pada model matematika Z Z T = I + 6 1 o T a Z 2 Z 7 menjadi: T o = 0.092 I(t) + T a (14) (6)
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. dan Fluent 6.1. Langkahlangkah pembuatannya sebagai berikut: Pembuatan geometri oven surya menggunakan Gambit 2.2., meliputi: ruang oven, reflektor, wadah produk, dan outlet. Pembuatan mesh volume pada geometri yang akan disimulasikan menggunakan Gambit 2.2.. Pendefinisian beberapa variabel: (a) sifat termal bahan, (b) lapisan batas pada masingmasing 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 173 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. 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.
Sebaran Suhu Ruang Oven pada Kondisi Unsteady State A. Data Pengukuran 1 0 1 0 0 Suhu (C) 0 0 0 0 Iradiasi Surya (W/m 2 ) 0 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 :59 Waktu (WIB) 2 5 8 11 14 23 26 29 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. 1 1 1 To ( o C) Data Calculated 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Solar irradiation (W/m 2 ) Iradiasi surya (W/m 2 ) Gambar 32. Pendugaan perubahan suhu ruang oven T o pada kondisi unsteady state
41 Kemiringan pada grafik hasil perhitungan dipengaruhi oleh konstanta Z 1, Z 2, Z 3, dan Z 4. Pada nilai m u = 0.075 kg, m a = 0.0024 kg, Cp u = 4216 J/kg o C, Cp a = 6 J/kg o C, h u = 5.6 W/m 2o C (v = 0 m/s), U = 0.775 W/m 2o C, C = 7.9, A o = 0.087 m 2, A us = 0.0115 m 2, A ut = 0.0033 m 2, ρ = 0.75, τα = 0.9 diperoleh persamaan garis pada model matematika: T Z Z Δt Z3 () t ( T T ) + Z ΔtT + ( Z Δt) T u i u i 4 1 menjadi: 1 1 a i o i 3 1 = I o i+ + 4 Z2 Z2 () t + 0.299T 0. T a i o i T 1 = 0.026 I + o i 1, dimana ( T T ) 0 + u i+ 1 u i perbedaan suhu pada utensil sangat kecil sekali. karena 1 1 Data Calculated To ( o C) :05 :25 :45 11:05 11:25 11:45 12:05 12:25 12:45 13:05 13:25 Jam Time (WIB) Gambar 33. Pendugaan perubahan T o 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 ratarata 13.45% dan standar deviasi sebesar 12.46 o C pada kondisi steady state. Demikian juga pada kondisi unsteady state diperoleh hasil validasinya sebesar 0.772 dengan galat ratarata 14.36% dan standar deviasi sebesar 12.29 o C.
42 35 Galat = 13.45% SD =12.46 Hasil Perhitungan ( o C) 25 15 5 0 0 Data Pengukuran ( o C) Gambar 34. Validasi model lump pada kondisi kuasi steady state Galat = 14.36% SD =12.29 Hasil Perhitungan ( o C) 0 0 Data Pengukuran ( o C) Gambar 35. Validasi model lump pada kondisi unsteady state