III. METODOLOGI PENELITIAN A. Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian ini dilakukan di laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian serta di dalam rumah tanaman yang berada di laboratorium Lapangan Leuwikopo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Pelaksanaan penelitian dilakukan pada 21 Maret 2011 hingga 31 Mei 2011. B. Alat dan Bahan a. Rumah Tanaman Rumah tanaman berfungsi untuk melindungi tanaman dari faktor-faktor lingkungan yang tidak menguntungkan. Rumah tanaman yang digunakan berukuran 6 m x 12 m yang dibangun membujur ke arah utara-selatan dengan bahan plastik PVC transparan 0.02 mm dan dindingnya terbuat dari kasa kawat dengan lubang 1 mm 2. Lantai rumah tanaman dilapisi semen dengan pondasi setempat sedalam 50 cm. b. Plastik Polybag Plastik polybag berfungsi sebagai tempat penampung media tanam. Plastik polybag yang digunakan berukuran standar 30 cm x 30 cm x 0.07 mm dan 20 cm x 20 cm x 0.07 mm. c. Hybrid Recorder Recorder digunakan untuk mencatat suhu pada titik-titik pengukuran tertentu yang dihubungkan dengan thermocouple. d. Thermal Conductivity Meter Kemtherm QTM-D3 Digunakan untuk mengetahui nilai konduktifitas panas arang sekam. e. Calorimeter Calorimeter digunakan untuk mengetahui nilai panas jenis arang sekam. f. Software AutoCad Software AutoCad digunakan untuk membangun desain geometri polybag dan media tanam arang sekam. g. Software SolidWorks Software SolidWorks digunakan untuk melakukan simulasi aliran fluida pada media tanam. h. Personal Computer (PC) PC digunakan untuk proses simulasi menggunakan CFD. i. Peralatan Pendukung Peralatan pendukung lain yang digunakan antara lain termometer air raksa untuk pembanding suhu pada pengukuran dengan thermocouple, timbangan digital dan gelas ukur yang digunakan saat melakukan pengukuran bulk density dan porositas, serta meteran untuk menentukan letak titik-titik pengukuran. j. Bahan Penelitian Bahan yang digunakan dalam penelitian ini diantaranya plastik polybag dan arang sekam. 10
C. Metode Penelitian a. Persiapan Penelitian Persiapan penelitian merupakan kegiatan awal yang dilakukan agar proses penelitian dapat berjalan dengan lancar. Persiapan penelitian meliputi sterilisasi lahan, persiapan media tanam, dan pemasangan thermocouple di beberapa titik di dalam greenhouse. b. Pengukuran Sifat Fisik dan Termal Arang Sekam 1. Bulk density Penentuan bulk density dilakukan dengan perbandingan massa arang sekam setiap 100 ml volume arang sekam, dengan langkah-langkah sebagi berikut: 1. Memasukkan 100 ml arang sekam ke dalam gelas ukur tanpa ketukan (Administratur Kebun Malabar, 2008). 2. Mengukur massa arang sekam di dalam gelas ukur dengan timbangan digital. 3. Mengukur massa gelas ukur kosong dengan timbangan digital. 4. Menghitung massa arang sekam dengan mengurangi hasil pengukuran (2) dengan hasil pengukuran (1). 5. Membandingkan massa arang sekam dengan volume arang sekam menggunakan persamaan (6). (6) = Bulk density (kg/m 3 ) = Massa arang sekam (kg) = Volume arang sekam (m 3 ) 2. Porositas Penentuan porositas arang sekam dilakukan dengan metode pencampuran, dengan membandingkan volume rongga udara dalam arang sekam dengan volume arang sekam. Langkah-langkah pengukurannya adalah: 1. Memasukkan 500 ml arang sekam ke dalam gelas ukur tanpa ketukan atau pemadatan (Administratur Kebun Malabar, 2008). 2. Memasukan air sedikit demi sedikit kedalam gelas ukur berisi arang sekam. 3. Menghitung volume air yang tercampur bersama arang sekam, dengan cara mengurangi volume awal air dengan volume air yang tersisa. 4. Menghitung persentase porositas arang sekam dengan persamaan berikut, 3. Panas jenis Untuk menghitung panas jenis bahan, digunakan metode pencampuran dengan persamaan keseimbangan panas Mohsenin (1980). Q Air = Q Sampel + Q Calorimeter (7) M a Cp a (T e T a ) = m s Cp s (T s - T e ) + m c Cp c (T c - T e )..... (8) Q Air : panas total air (kj) Q sampel : panas total sampel (kj) Q calorimeter : panas total calorimeter (kj) 11
M a : massa air (kg) Cp a : panas spesifik air (kj/kg o K) T e : suhu equilibrium ( o K) T a : suhu air ( o K) M s : massa sampel (kg) Cp s : panas spesifik sampel (kj/kg o K) T s : suhu sampel ( o K) M c : massa calorimeter (kg) T c : suhu calorimeter ( o K) Cp c : panas spesifik calorimeter (kj/kg o K) Langkah-langkahnya pengukurannya adalah : a. Penentuan Q Calorimeter 1. Siapkan 0.05 kg air dingin, ukur suhu dan tuangkan ke dalam calorimeter. 2. Aduk menggunakan agitator dan rekam suhu dengan thermocouple. 3. Tambahkan 0.05 kg air panas yang suhunya telah diukur sebelumnya. 4. Aduk menggunakan agitator. Catat suhu pencampuran hingga kesetimbangan tercapai. 5. Hitung Q Calorimeter dalam persamaan (5) dan (6) tanpa sampel. b. Penentuan panas jenis sampel 1. Ulangi langkah-langkah a.1 dan a.2. 2. Siapkan 0.001-0.002 kg spesimen sampel, dan masukkan ke dalam calorimeter. 3. Ulangi langkah a.4. 4. Hitung panas spesifik sampel dengan menggunakan persamaan (6). 4. Konduktifitas panas Metode yang digunakan untuk menentukan konduktivitas panas adalah metode Probe. Metode ini merupakan pengembangan dari metode kawat panas yang memasukkan kawat pemanasan di antara dua potong yang simetris. Dalam metode Probe, sampel material overlay dengan material lain yang dikenal sebagai k dan bahan terakhir ini terisolasi. Nilai k ditentukan oleh rumus berikut:...... (9) I K and H t 1 and t 2 V 1 and V 2 : arus konstan (A) : konstanta Probe : waktu sampel (detik) : tegangan keluaran dari termokopel Probe K (mv) 12
c. Perlakuan Penelitian Perlakuan yang dilakukan pada penelitian ini adalah pengkajian pola aliran suhu pada dua ukuran polybag berbeda ukuran yang masing-masing berisi arang sekam yang sama. Dimensi dari kedua jenis polybag tersebut tersaji dalam Tabel 1. Jenis Polybag Ukuran standar Polybag (keadaan terlipat) Tabel 1. Dimensi polybag yang digunakan dalam penelitian. Jumlah lubang udara pada polybag Diameter lubang (mm) Diameter (cm) Setelah diisi Arang Sekam Tinggi Polybag (cm) Tinggi arang sekam (cm) A 30 x 30 x 0.07 mm 28 0.7 19.5 21 20 B 20 x 20 x 0.07 mm 12 0.7 15 18 12 d. Pengamatan dan Pengukuran Pengamatan dilakukan setiap hari selama proses pengambilan data berlangsung selama tiga hari. Parameter yang diukur meliputi suhu arang sekam dalam polybag, dan suhu lingkungan di dalam greenhouse. Pengukuran suhu arang sekam dilakukan pada sembilan titik pengukuran pada masing-masing ukuran polybag seperti terlihat pada Gambar 4.A dan 4.B. Pencatatan data suhu dilakukan pada masing-masing polybag menggunakan hybrid recorder yang dihubungkan pada titik pengukuran menggunakan thermocouple. Pencatatan data dilakukan selama 3 x 24 jam per 30 menit. Hasil pengamatan mengenai distribusi suhu memberikan gambaran mengenai suhu media tanam di sekitar daerah perakaran tanaman. Skema titik-titik pengukuran suhu arang sekam dan lingkungan sekitar ditunjukkan pada Gambar 4. Penentuan titik-titik pengukuran ini diambil berdasarkan penelitian terdahulu mengenai sebaran kadar air pada arang sekam di dalam polybag yang dilakukan oleh Sapei (2008) 19,5 7,5 15 12 5 3 20 4 A B Gambar 4. Skema titik pengukuran suhu arang sekam di dalam polybag (tampak depan) (A) Polybag A dan (B) Polybag B 13
Gradien suhu dalam sistem menyebabkan perubahan suhu media tanam selama interval waktu pengukuran. Fluktuasi suhu arang sekam ini dipengaruhi oleh prosesproses perpindahan panas. Analisis pindah panas yang terjadi dalam sistem secara umum antara lain pindah panas secara konveksi dari fluida ke arang sekam, dan secara konduksi dari pertukaran energi antar medium-medium berlainan yang bersinggungan secara langsung dan berbeda suhu, yaitu antara dinding polybag dan arang sekam, serta antar arang sekam. Skema pindah panas yang terjadi dari lingkungan ke arang sekam, dapat dilihat pada Gambar 5. T udara T udara T udara Q polybag Tmedia tanam Q polybag T lantai Keterangan: Q : pindah panas (kj) T : suhu ( o C) Q lantai + Q polybag Gambar 5. Skema pindah panas pada polybag (tampak samping) Untuk mengetahui pindah panas yang terjadi pada polybag, dapat menggunakan rumus berdasarkan pindah panas konveksi dan konduksi yang terjadi dari udara ke arang sekam melewati polybag dan pindah panas secara konveksi dan konduksi dari lantai ke arang sekam melewati polybag. Adapun persamaan yang digunakan sebagai berikut: 1. Bagian bawah polybag:.(10) 2. Bagian kiri dan kanan polybag:... (11) 14
: tebal polybag (m) U : koefisien konveksi udara dalam rumah tanaman (W/m 2. o C) : konduktivitas termal polybag (W/m 2. o C) : koefisien konveksi media tanam (W/m 2. o C) : koefisien konveksi lantai (W/m 2. o C) : energi dalam (kj) e. Simulasi dengan CFD Simulasi digunakan untuk menduga sebaran suhu media tanam arang sekam di dalam polybag untuk mendapatkan kondisi yang optimal bagi akar tanaman. Simulasi pendugaan suhu arang sekam menggunakan persamaan keseimbangan dan pindah panas yang diolah secara terpadu dengan bantuan Computational Fluid Dynamics (CFD) yang terdapat pada software Solidworks 2010. Input yang digunakan meliputi geometri polybag berisi media tanam arang sekam, nilai koefisien pindah panas, suhu lantai, laju aliran massa udara, dan suhu udara harian di greenhouse. f. Asumsi yang Digunakan 1. Nilai temperatur leleh arang sekam diasumsikan 1000 o C karena penelitian dilakukan jauh dibawah suhu yang memungkinkan arang sekam meleleh, maka hal ini tidak akan berpengaruh pada proses perhitungan. 2. Suhu dinding luar polybag diasumsikan sebagai suhu lantai, tidak diasumsikan sebagai suhu udara, karena titik pengukuran suhu udara dari polybag lebih jauh dibandingkan dengan titik pengukuran suhu lantai dari polybag. 3. Tidak ada pengaruh angin, karena kondisi greenhouse yang memiliki dinding beton setinggi 60 cm dari lantai menyebabkan pengaruh angin pada polybag yang diletakkan di atas lantai sangat kecil bahkan nyaris tidak ada karena terdapat faktor gesekan udara dengan lantai greenhouse. 4. Computational domain dibuat sejauh 0.5 m dari dinding luar masing-masing polybag dan diasumsikan pada jarak 0.5 m tersebut merupakan ruang kosong tanpa benda apapun. Padahal, kenyataannya dalam jarak 0.5 m dari masing-masing polybag terdapat sistem hidroponik rakit apung, sistem hidroponik NFT, dan juga terdapat polybag lain. 5. Nilai volumetric heat exchange coefficient arang sekam diasumsikan sama dengan nilai yang sudah diberikan oleh software yaitu 0.035W/m 3 /K, karena untuk menentukan nilai koefisien pindah panas volumetrik diperlukan penelitian tersendiri. 15