7-keseimbangan panas dan uap air 18102016.pptx

Departemen Teknik Mesin dan BiosistemINSTITUT PERTANIAN BOGOR

1

KESETIMBANGAN PANAS DAN UAP AIR

Kuliah Teknologi Greenhouse dan Hidroponik

2

ventilasi

konduksitanah

radiasi matahari

Greenhouse cover

konveksi

konveksi

udara dalam

radiasi gel. panjang

Permukaan lantai

Pindah Panas dalam Greenhouse

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

qcdqcd

qsu

qm

qv2qv1

qs

IN OUT

Panas masuk = Panas keluar

Ti

To

Ket; Ti : suhu udara didalam; To: suhu udara di luar

qc

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 tambahanqm = panas dari alat – alat mekanisqcd = kehilangan panas dari bangunan (+/-)qc = perubahan panas sensibel karena panas laten seperti evaporasi, kondensasi, pembekuan, pencairan,dllqcd tergantung pada ; daya tahan panas

luas dinding pembatas beda suhu luar dan dalam

Faktor penentu

Perpindahan panas Perbedaan suhu

Perpindahan uap air Perbedaan tekanan uap air

7

Perpindahan Uap Air Pada Bangunan Pertanian

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

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

1. Pengembangan model matematis

Konsep Pengembangan model:

Kesetimbangan panas pada atap

Keseimbangan panas pada udara dalam

Keseimbangan panas pada permukaan lantai

Penelitian Pindah Panas dalam Greenhouse

Keseimbangan panas pada lapisan tanah

10

1. Pengembangan model matematis

Kesetimbangan panas pada atapqc = qrad - qkoc - qkinc

qc

qrad

qkoc

qkinc

Dimana;qc = panas pada atapqrad = pindah panas radiasiqkoc = pindah panas konveksi udara luar dan atapqkinc = pindah panas konveksi udara dalam dan atap

11

1. Pengembangan model matematis

Kesetimbangan panas pada atap

Faktor yg berpengaruh: bahan atap ketebalan atap kemiringan atap luasan atap

S

θ

θ α

βα

KT = cos θKT = cos (90-α) cos β

KB = cos θKB = cos (90-α) cos β

12

1. Pengembangan model matematis

Kesetimbangan pada udara dalamqin = qkinc + qkinf + qkven +qs

qkinc

qkinf

qvenqin qs

Dimana;qin = panas pada udara dalam greenhouseqkinc = pindah panas konveksi udara dalam dan atapqkinf = pindah panas konveksi udara dalam dan lantaiqkven = pindah panas konveksi aliran udara melalui ventilasiqs = panas sensibel yg diserap tanaman

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

qlqkinf qkl

qradin

ql = qradin + qkinf + qkl

Dimana;ql = panas pada lantai greenhouseqradin = pindah panas radiasi yang diterima lantaiqkinf = pindah panas konveksi udara dalam dan lantaiqkl = pindah panas konduksi antara lantai dan tanah

15

1. Pengembangan model matematis

Kesetimbangan pada lapisan tanah

qsoil qkfs

qsoil = qkfs

Dimana;qsoil = panas pada tanah lapisan pertamaqkfs = pindah panas konduksi lantai dengan tanah

Diasumsikan tanah terdiri dari beberapa lapisan

16

1. Pengembangan model matematisAsumsi 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

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0

6:00

7:00

8:00

9:00

10:00

11:00

12:00

13:00

14:00

15:00

16:00

17:00

18:00

Pukul (WIB)

T in

(o C)

Tin pengukuran Tin simulasi

1. Pengembangan model matematis

Hasil pengembangan model matematis

Cuaca berawan

18

1. Pengembangan model matematis

Hasil pengembangan model matematis

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0

6:00

7:00

8:00

9:00

10:00

11:00

12:00

13:00

14:00

15:00

16:00

17:00

18:00

Pukul (WIB)

T in

(o C)

Tin pengukuran Tin simulasi

Cuaca berawan dan hujan

19

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0

6:00

7:00

8:00

9:00

10:00

11:00

12:00

13:00

14:00

15:00

16:00

17:00

18:00

Pukul (WIB)

T in (

o C)

Tin pengukuran Tin simulasi

Cuaca Cerah

1. Pengembangan model matematis

Hasil pengembangan model matematis

20

2. Aplikasi Jaringan Syaraf Tiruan (JST)

Penelitian Pindah Panas dalam Greenhouse

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

JST

Prinsip pengembangan

black-boxinput

proses

output

Data pengukuran Data pendugaan/simulasi

21

2. Aplikasi Jaringan Syaraf Tiruan (JST)

Penelitian Pindah Panas dalam Greenhouse

Suhardiyanto et al. (2009)

22

2. Aplikasi Jaringan Syaraf Tiruan (JST)

Penelitian Pindah Panas dalam Greenhouse

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;

y = 0.9866x + 0.495R2 = 0.9706

1517192123252729313335373941

15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41

Hasil pengukuran (C)

Has

il pen

duga

an A

NN

(C)

y = 0.8666x + 3.9864

R2 = 0.858320.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00

T in pengukuran (C)

T in

sim

ulas

i (C)

Model Matematis Model JST

ANALISIS SEBARAN SUHU DAN POLA ALIRAN UDARA DI DALAM GREENHOUSE MENGGUNAKAN CFD

Initial condition Unit value

Outside air temperature °C 31.1

Roof temperature °C 36.2

Floor temperature °C 34.0Concrete wall temperature °C 34.0

Structure surface temp. °C 34.5

Wind speed at (y = 2 m) m s-1 0.9Wind speed at (y = 5.5 m) m s-1 1.8

Solar radiation W m-2 1056.0

Wind direction   Absis x

# thesis agus ghautsun niam, 2011

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.

Zone Cooling (Pendinginan Terbatas)

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 ? 33

Beban energi untuk menurunkan suhu udara di greenhouse

34

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

Advantages• Efektif• Efisien: Hemat energi

35

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).

36

37

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)

Persamaan kontinuitas

Dimana:

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) : massa jenis udara, (kg/m³). : kecepatan udara, (m/s) : tekanan yang hilang akibat gesekan di dalam pipa, (Pa) : faktor gesekan atau koefisien gesek di dalam pipa, -

Pers. Darcy-Weisbach

Pers. Vigander:

40

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

Analisis Kesetimbangan Panas

41

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) : Panas jenis udara, (J/kg) : Suhu udara di dalam pipa, (C) : nilai keseragaman, (%) : nilai rata-rata laju aliran qi,-n : Jumlah total lubang keluaran

Keseragaman debit aliran udara (%), dapat dihitung dg pers. berikut :

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

Keseragaman suhu pada setiap hole45

46

47

48

Kontur Sebaran Suhu Udara di dalam Rumah

Tanaman

49(Suhardiyanto dan Matsuoka,1992).

Kontur Sebaran Suhu Udara di dalam Rumah

Tanaman

50(Suhardiyanto dan Matsuoka,1992).

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.

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.

Jarak (cm) Keseragaman (%)10 92.8211 91.4712 91.113 85.8414 82.915 82.2116 79.8817 79.2218 79.1319 77.8820 76.5

10

11

12

13

14

57