Departemen Teknik Mesin dan Biosistem INSTITUT PERTANIAN BOGOR

Presentasi berjudul: "Departemen Teknik Mesin dan Biosistem INSTITUT PERTANIAN BOGOR"— Transcript presentasi:

1 Departemen Teknik Mesin dan Biosistem INSTITUT PERTANIAN BOGOR
Kuliah Teknologi Greenhouse dan Hidroponik KESETIMBANGAN PANAS DAN UAP AIR Departemen Teknik Mesin dan Biosistem INSTITUT PERTANIAN BOGOR

2 Pindah Panas dalam Greenhouse
ventilasi konduksi tanah radiasi matahari Greenhouse cover konveksi udara dalam radiasi gel. panjang Permukaan lantai

3 Pindah Panas dalam Greenhouse
Penutup Greenhouse dan udara luar Konveksi dan Radiasi Penutup Greenhouse dan udara dalam greenhouse Konveksi dan Radiasi Permukaan lantai dan udara dalam greenhouse Konveksi, konduksi, radiasi Permukaan lantai dan lapisan tanah yang lebih dalam Konduksi Pertukaran langsung udara dalam dan luar melalui ventilasi Konveksi

4 Kesetimbangan Panas di dalam Greenhouse
qcd qsu qm qv2 qv1 qs IN OUT To qc Ti Panas masuk = Panas keluar Ket; Ti : suhu udara didalam; To: suhu udara di luar

5 Kesetimbangan Panas di dalam Greenhouse
Pada Daerah Tropis Untuk mempertahankan Ti bangunan Pengurangan Beban Panas Penambahan Laju Panas Keluar Pada saat To > Ti maka kesetimbangan panas bangunan : qs – qvs + qsu + qcd + qm + qc = 0 Pada saat To < Ti maka kesetimbangan panas bangunan : qs + qv1 + qsu + qm - qv2 - qcd - qc = 0

6 Kesetimbangan Panas di dalam Greenhouse
Dimana; qs = panas sensibel (produk) qvs = panas ventilasi (qv2-qv1) qsu = panas tambahan qm = panas dari alat – alat mekanis qcd = kehilangan panas dari bangunan (+/-) qc = perubahan panas sensibel karena panas laten seperti evaporasi, kondensasi, pembekuan, pencairan,dll qcd tergantung pada ; daya tahan panas luas dinding pembatas beda suhu luar dan dalam

7 Perpindahan Uap Air Pada Bangunan Pertanian
Umumnya memiliki tingkat uap air yang relatif tinggi Penting untuk desain dan kontrol lingkungan dalam mencegah kondensasi/akumulasi uap air pada dinding Prinsip perpindahan uap air Faktor penentu Perpindahan panas Perbedaan suhu Perpindahan uap air Perbedaan tekanan uap air

8 Penelitian Pindah Panas dalam Greenhouse
Pengembangan Model Pindah Panas pada standard-peak greenhouse Tujuan : memprediksi suhu udara didalam greenhouse mempermudah perancangan greenhouse Metode : 1. Pengembangan model matematis 2. Aplikasi Jaringan Syaraf Tiruan

9 Penelitian Pindah Panas dalam Greenhouse
1. Pengembangan model matematis Konsep Pengembangan model: Kesetimbangan panas pada atap Keseimbangan panas pada udara dalam Keseimbangan panas pada permukaan lantai Keseimbangan panas pada lapisan tanah

10 1. Pengembangan model matematis
Kesetimbangan panas pada atap qc = qrad - qkoc - qkinc Dimana; qc = panas pada atap qrad = pindah panas radiasi qkoc = pindah panas konveksi udara luar dan atap qkinc = pindah panas konveksi udara dalam dan atap qc qrad qkoc qkinc

11 1. Pengembangan model matematis
Kesetimbangan panas pada atap Faktor yg berpengaruh: bahan atap ketebalan atap kemiringan atap luasan atap S θ α β KT = cos θ KT = cos (90-α) cos β KB = cos θ KB = cos (90-α) cos β

12 1. Pengembangan model matematis
Kesetimbangan pada udara dalam qin = qkinc + qkinf + qkven +qs Dimana; qin = panas pada udara dalam greenhouse qkinc = pindah panas konveksi udara dalam dan atap qkinf = pindah panas konveksi udara dalam dan lantai qkven = pindah panas konveksi aliran udara melalui ventilasi qs = panas sensibel yg diserap tanaman qkinc qkinf qven qin qs

13 1. Pengembangan model matematis
Kesetimbangan pada udara dalam Faktor yg berpengaruh: Tinggi greenhouse Bahan dinding Bahan lantai Luasan greenhouse Ventilasi mekanis (jika ada)

14 1. Pengembangan model matematis
Kesetimbangan pada permukaan lantai ql = qradin + qkinf + qkl Dimana; ql = panas pada lantai greenhouse qradin = pindah panas radiasi yang diterima lantai qkinf = pindah panas konveksi udara dalam dan lantai qkl = pindah panas konduksi antara lantai dan tanah qradin qkinf qkl ql

15 1. Pengembangan model matematis
Kesetimbangan pada lapisan tanah qsoil = qkfs Dimana; qsoil = panas pada tanah lapisan pertama qkfs = pindah panas konduksi lantai dengan tanah Diasumsikan tanah terdiri dari beberapa lapisan qsoil qkfs

16 1. Pengembangan model matematis
Asumsi model; Model dibagi 4 elemen vertikal; atap rumah kaca, udara di dalam rumah kaca, permukaan lantai, dan lapisan tanah Homogen secara horizontal dan vertikal Massa udara dalam rumah kaca tidak diperhitungkan Koefisien pindah panas konveksi pada permukaan lantai (hf) dan pengaruh aliran udara melalui ventilasi (hv) tidak berubah selama simulasi Aliran udara seragam arah horizontal Transmisivitas, absorptivitas dan reflektivitas atap tetap

17 1. Pengembangan model matematis
Hasil pengembangan model matematis Cuaca berawan

18 1. Pengembangan model matematis
Hasil pengembangan model matematis Cuaca berawan dan hujan

19 1. Pengembangan model matematis
Hasil pengembangan model matematis Cuaca Cerah

20 Penelitian Pindah Panas dalam Greenhouse
2. Aplikasi Jaringan Syaraf Tiruan (JST) Apa itu JST ??? Metode perhitungan fungsi matematika yang didasarkan pada penjabaran fungsi otak manusia Perhitungan ini diimplementasikan dengan program komputer model black-box non-linear Prinsip pengembangan black-box input output JST Data pengukuran Data pendugaan/simulasi proses

21 Penelitian Pindah Panas dalam Greenhouse
2. Aplikasi Jaringan Syaraf Tiruan (JST) Suhardiyanto et al. (2009)

22 Penelitian Pindah Panas dalam Greenhouse
2. Aplikasi Jaringan Syaraf Tiruan (JST) Metode; Data parameter lingkungan mikro diukur dalam satu waktu Data tersebut mewakili semua kondisi lingkungan Data tersebut dibagi menjadi dua bagian Satu bagian untuk proses pembelajaran model JST Satu bagian untuk proses validasi model JST

23 Penelitian Pindah Panas dalam Greenhouse
Perbandingan dua metode tersebut; Model Matematis Model JST

24 Analisis sebaran suhu dan pola aliran udara di dalam greenhouse menggunakan cfd
Initial condition Unit value Outside air temperature °C 31.1 Roof temperature 36.2 Floor temperature 34.0 Concrete wall temperature Structure surface temp. 34.5 Wind speed at (y = 2 m) m s-1 0.9 Wind speed at (y = 5.5 m) 1.8 Solar radiation W m-2 1056.0 Wind direction Absis x # thesis agus ghautsun niam, 2011

25

26

27

28

29

30

31

32 Pendinginan Terbatas Zone Cooling (Pendinginan Terbatas)
Pendinginan terbatas telah dikembangkan sejak dekade tahun 1990-an sebagai alternatif pengendalian suhu udara di dalam greenhouse ketika suhu dan kelembaban udara tinggi (Suhardiyanto, 1994). Dalam pendinginan terbatas, penurunan suhu dilakukan secara terbatas dengan mengalirkan udara dingin ke sekitar tanaman.

33 Mengapa? Zone coling dilakukan untuk menghemat energi
Dengan pendinginan yang dibatasi pada daerah yang relatif sempit maka energi yang dikeluarkan akan jauh lebih kecil (sedikit) dibandingkan apabila pendinginan dilakukan pada seluruh udara dalam greenhouse. Yang diperlukan oleh tanaman ?

34 Beban energi untuk menurunkan suhu udara di greenhouse
Target kendali Beban energi sumber T_in 6 ºC di bawah T_out 0.3 MJ/m² Kozai et al., 1985 T_in siang dijaga 24 ºC sedangkan T_in malam dijaga 15 ºC 31 MJ/m² Yamano et al., 1991

35 Advantages Efektif Efisien: Hemat energi

36 Bagaimana? Dengan pendinginan larutan nutrisi dalam tangki.
Dengan pendinginan udara yang berasal dari mesin pendingin udara dan kemudian disalurkan melalui pipa (mis. plastik) yang berlubang-lubang (perforated pipe).

37

38 Analisis Keseragaman Aliran
Ket: Qi : Laju aliran udara di dalam pipa pada section ke-i, (m³/s) qi : Laju aliran udara yang keluar dari lubang section ke i, (m³/s) D : Diameter pipa, (m) d : diameter lubang keluaran, (m) S : Jarak antar section atau jarak antar lubang keluaran, (m) HTi : Laju pindah panas aliran udara pada pipa, (W) HHi : Laju pindah panas udara yang keluar dari kedua lubang keluaran, (W) HOi : Laju pindah panas overall sepanjang dinding pipa, (W)

39 Persamaan kontinuitas
Dimana: Pers. Vigander: Ket: Cdi : Coefficient of discharge dari lubang keluaran section ke-i, - Ah : Luas penampang lubang keluaran section ke i, (m²) Ei : tekanan total pada lubang keluaran i , (Pa) gc : faktor konversi = 1.0 kgm/(N.s²) 𝜌 : massa jenis udara, (kg/m³). 𝑣 𝑖 : kecepatan udara, (m/s) 𝑝 𝑖 : tekanan yang hilang akibat gesekan di dalam pipa, (Pa) 𝜆 𝑖 : faktor gesekan atau koefisien gesek di dalam pipa, - Pers. Darcy-Weisbach

40 Perhitungan debit udara yang mengalir dalam pipa dimulai dari section paling hilir
Perhitungan debit udara yang keluar dari pipa pada section lebih hulu dilakukan berdasarkan hasil perhitungan pada section berikutnya (kearah hulu)

41 Analisis Kesetimbangan Panas
Keseragaman debit aliran udara (%), dapat dihitung dg pers. berikut : Ket: HTi : Laju pindah panas aliran udara pada pipa, (W) HHi : Laju pindah panas udara yang keluaran dari kedua lubang keluaran, (W) HOi : Laju pindah panas overall sepanjang dinding pipa, (W) 𝐶 𝑝 : Panas jenis udara, (J/kg) 𝑇 𝑖 : Suhu udara di dalam pipa, (C) 𝑈 𝑞 : nilai keseragaman, (%) 𝑞 : nilai rata-rata laju aliran qi,- n : Jumlah total lubang keluaran

42 Desain Pipa Pendistribusi Udara Dingin

43 x/L Keseragaman tekanan statis pada setiap hole, dimana x adalah jarak dari discharge station dan L adalah panjang perforated section of tube

44

45 Keseragaman suhu pada setiap hole

46

47

48

49 Kontur Sebaran Suhu Udara di dalam Rumah Tanaman
(Suhardiyanto dan Matsuoka,1992).

50 Kontur Sebaran Suhu Udara di dalam Rumah Tanaman
(Suhardiyanto dan Matsuoka,1992).

51

52

53

54 Hasil Simulasi Computational Fluida Dynamics
Sebaran suhu pada media tanam tampak atas; bidang x-z (a) pada pukul 09:00 pagi, dan (b) pada pukul 13:00 siang, waktu setempat.

55 Hasil Simulasi Computational Fluida Dynamics
Sebaran suhu pada media tanam tampak atas; bidang x-z (a) pada pukul 09:00 pagi, dan (b) pada pukul 13:00 siang, waktu setempat.

56 10 11 12 13 14

57 SELESAI