7-keseimbangan panas dan uap air 18102016.pptx
TRANSCRIPT
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