## Simulasi CFD Distribusi Temperatur pada Pengering Biji Kopi dengan Sistem Konveksi Paksa
Humisar Pasaribu 1 ,. Partahi Lumbangaol 1 ,.Horas S. Siagian 2 , Richard A M Napitupulu 3 ,. Parulian Siagian 3 . Eko Yohanes Setyawan 4
1,. Dosen tetap Prodi Teknik Sipil Universitas HKBP Nommensen,. Medan
2. Mahasiswa Pascasarjana Prodi Teknik Mesin USU Medan
3 .Dosen tetap Prodi Teknik Mesin Universitas HKBP Nommensen,. Medan
4. Dosen tetap Prodi Teknik Mesin Institut Teknologi Nasional Malang
parulian.siagian@uhn.ac.id

## Abstract
Drying is a mass transfer and heat transfer process that is strongly influenced by temperature  and  air  velocity.  The  importance  of  analyzing  the  temperature distribution and air velocity is expected to be used as a reference to optimize the drying process to be faster and better. This study aims to analyze the temperature distribution  and  air  velocity  that  occurs  in  a  coffee  bean  dryer  with  a  forced convection system using CFD simulation. CFD simulations are carried out using ANSYS Fluent software. with steady conditions, and using a pressure-based solver method.  It  is  obtained  that  the  temperature  distribution  that  occurs  with  the estimated absorber temperature difference with the drying chamber is 31% during the day.
Keyword: Drying, Forced Convection, CFD

## Abstrak
Pengeringan adalah proses perpindahan massa dan perpindahan panas  yang sangat dipengaruhi  oleh  temperatur  dan  kecepatan  udara.  Pentingnya  analisa  distribusi temperatur dan kecepatan udara diharapkan dapat digunakan sebagai acuan untuk mengoptimasi  proses  pengeringan  agar  menjadi  lebih  cepat  dan  lebih baik.  Pada penelitian  ini  memiliki  tujuan  untuk  menganalisa  distribusi  temperatur  dan kecepatan udara yang terjadi pada alat pengering biji kopi dengan sistem konveksi paksa  dengan  menggunakan  simulasi  CFD.  simulasi  CFD  dilakukan  dengan menggunakan  perangkat  lunak  ANSYS  Fluent.  dengan  kondisi  steadi,  dan menggunakan metode solver pressure-based. Diperoleh distribusi  temperatur yang terjadi  dengan  estimasi  perbedaan  temperatur  absorber  dengan  ruang  pengering adalah 31% pada siang hari.
Kata Kunci : Pengeringan, Konveksi Paksa, CFD
Diterima : 10, Juli 2023, Revisi 24, Juli 2023, Diterima 04 Agustus 2023

## 1. PENDAHULUAN
Pengeringan  adalah  proses  perpindahan  massa  dan  perpindahan  panas  secara simultan. Analisis terhadap proses ini rumit, karena proses yang terjadi adalah transient [1], [2]. Sehingga sampai  saat  ini, masih  sangat  dibutuhkan analisa untuk  memperoleh kondisi pengeringan yang ideal agar memperoleh hasil pengeringan yang baik. Terdapat beberapa beberapa faktor yang mempengaruhi proses pengeringan yaitu: luas permukaan, suhu, kecepatan udara, kelembapan udara, tekanan udara, waktu [3], [4].
Temperatur dan kecepatan udara merupakan faktor yang memiliki pengaruh cukup besar  terhadap  proses  pengeringan.  Semakin  tinggi  nilai  temperatur  maka  akan
mempercepat  proses  pengeringan  begitu  juga  sebaliknya,  dan  semakin  tinggi  nilai kecepatan  udara  sebagai  konveksi  paksa  maka  akan  mempercepat  proses  pengeringan [5][6].
Beberapa  penelitian  terdahulu  telah  dilakukan  dalam  menganalisa  proses pengeringan,  diantaranya  [7],  [8]  melakukan  simulasi  variasi  sudut  kolektor  alat pengering  kopi  dan  diperoleh  sudut  kolektor  30  derajat  dapat  menyimpan  panas  lebih baik. Kolektor surya dengan plat yang di perpanjang dapat digunakan untuk menyimpan radiasi matahari lebih besar [9]. Juga melakukan pengeringan menggunakan desikan agar terjadi pengeringan selama 24 jam[10], [11].
Fokus  pada  penelitian  ini  adalah  untuk  menganalisa  distribusi  temperatur  dan kecepatan  udara  yang  terjadi  pada  pengering  biji  kopi  dengan  sistem  konveksi  paksa dengan  menggunakan  simulasi  CFD.  Sehingga  dengan  adanya  analisa  distribusi temperatur  dan  kecepatan  udara  dapat  dilakukan  optimasi  agar  proses  pengeringan menjadi lebih cepat dan lebih baik.

## 2. METODE PENELITIAN

## 2.1. Model Geometri
Pengering biji kopi  yang digunakan terdiri dari 2 komponen utama, yaitu ruang pengering  dan  kolektor  surya.  Adapun  skema  alat  pengering  biji  kopi  yang  digunakan dapat dilihat pada gambar dibawah.
Gambar 1. Skema alat pengering biji kopi
Radiasi matahari yang terdapat pada saat pagi, siang dan sore hari akan diserap oleh kolektor surya dengan cara menyerap intensitas radiasi matahari pada sebuah plat yang di cat hitam, kemudian menghambat panas yang telah terkumpul tersebut dengan menggunakan kaca, lalu panas yang terkumpul pada kolektor surya kemudian di alirkan ke ruang pengering dengan cara menghisap udara melalui saluran keluar ruang pengering dengan menggunakan kipas.
(a) (b)
Gambar 2. (a) Desain alat pengering biji kopi, (b) geometri simulasi Desain alat  pengering  biji  kopi  yang  digunakan  merupakan  desain  yang  telah dilakukan oleh P  Siagian [1] dengan ukuran ruang pengering yang digunakan adalah 960 cm × 1135 cm × 1080 cm diisolasi dengan styrofoam 30 mm dan  lapisan aluminium foil. Terdapat dua kolektor surya yaitu kemiringan 0°; dan kemiringan 30° yang terbuat dari tipe pelat datar yang berdimensi 1.132 mm × 1.110 mm dan 1.132 mm × 1.006 mm.
Pada proses simulasi, dilakukan metode clean up geometri berdasarkan desain alat pengering biji kopi agar menghilangkan komponen detail yang di anggap tidak memiliki pengaruh signifikan terhadap hasil simulasi agar proses simulasi dapat dilakukan tanpa menggunakan kapasitas memori yang sangat banyak.
Kondisi  simulasi  yang  digunakan  adalah  steadi  dan  diaktifkan  gaya  gravitasi sebesar  9.81  m/s2,  menggunakan  metode  solver  pressure-based  dan  beberapa  kondisi batas, agar dalam hasil simulasi dapat diperoleh proses perpindahan panas yang terjadi mendekati keadaan aktual.
Kondisi batas yang digunakan pada simulasi adalah data yang diperoleh dari hasil pengujian secara eksperimental pada tanggal 14 November 2022 yang dapat dilihat pada table berikut :
Table 1. Kondisi Batas Boundary Condition Information Outlet Type Velocity Magnitude : Velocity - inlet : 1 m/s Inlet Type Temperature : Pressure-outlet : 297.03 K, 300 K, 302.41 K
Kaca Kolektor Miring Type Material Temperature : Wall : Kaca : 296.67 K, 342.53 K, 307.39 K Kaca Kolektor Datar Type Material Temperature : Wall : Kaca : 296.4 K, 333.54 K, 305.92 K Aluminium Composite Panel Type Material Temperature : Wall : ACP : 297.69 K, 312.13 K, 304.31 K Absorber Type Material Temperature : Wall : Aluminium : 298.61 K, 376.67 K, 300.18 K
Dalam  simulasi  terdapat  beberapa  material  yang  digunakan,  dapat  dilihat  pada tabel dibawah ini.
Table 2. Material Material Massa Jenis (kg/m3) Panas Spesifik (j/kg.K) Konduktivitas Thermal (w/m.k) Styrofoam 960 1300 0.033 Kaca 2500 840 1.05 Glasswool 20 840 0.03 Aluminum-Foil 2710 904 235 ACP 1510 1470 0.22097 Aluminium 7100 382 113 Kopi 656 1400 0.112
Sedangkan  nilai  material  udara  yang  digunakan  merupakan  fungsi  temperatur, dengan temperatur udara yang berbeda memiliki nilai material yang berbeda juga [12].
 Densitas udara
 Viskositas udara
(1)
 Konduktivitas thermal udara (2)
Penelitian Eksperimental dan simulasi dilakukan  pada bulan November 2022 dan berada  di  Pusat  Riset  Energi  Berkelanjutan,  Magister  Teknik  Mesin,  Universitas Sumatera Utara, kota Medan dengan lokasi geografis 3° 30′ − 3° 43′ Lintang Utara dan 98° 35′ − 98° 44′ dengan menggunakan perangkat lunak ANSYS Fluent 2020 R2.
2.2. Model Matematika
Dalam simulasi CFD terdapat 3 Persamaan pembentuk aliran (Governing Equation) yang umum digunakan,  yaitu hukum  kekekalan  massa (kontinuitas), hukum  kekekalan momentum, dan hukum kekekalan energi. Karena pada simulasi yang  dilakukan terdapat peristiwa  aliran  fluida  dan  juga  perpindahan  panas,  maka  persamaan  pengatur  yang digunakan adalah 3 hukum.
 Kekekalan Massa (continuity).
(3)
(4)
 Kekekalan Momentum (X,Y,Z).
 Kekekalan Energi.
Model turbulensi yang digunakan adalah standar k-εpsilon. Model k-εpsilon standar merupakan model ketahanan, dan memiliki akurasi  dalam berbagai aliran turbulen dan simulasi perpindahan panas.
 Model Turbulent k-εpsilon.
Persamaan  pembentuk  aliran  tersebut  merupakan  persamaan  yang  sangat  rumit  dan membutuhkan waktu yang sangat banyak apabila diselesaikan secara analitik, untuk itu dalam penyelesaiannya sangat dibutuhkan software metode numerik CFD.

## 2.3. Meshing
Pada  penelitian  ini  digunakan  beberapa  pengaturan  dalam  pembuatan  meshing, diantaranya adalah ukuran mesh pada komponen yang memiliki tebal yang tipis seperti kaca dan plat absorber digunakan ukuran mesh yaitu 2 mm, sedangkan komponen lainnya digunakan  pengaturan  ukuran  mesh  adaptif  10  mm  –  35  mm.  untuk  jenis  mesh  yang digunakan merupakan gabungan mesh tetrahedron dan mesh hexagonal, sehingga dengan pengaturan mesh ini dihasilkan jumlah nodes 6.717.838 dan jumlah element 24.801.504.
Gambar 3. Meshing

## 3. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Berdasarkan hasil eksperimental 14 november 2022, dapat diperoleh distribusi temperatur yang  telah  di  ukur  dengan  menggunakan  Agilent  data  logger,  yang  dapat  dilihat  pada grafik dibawah ini.
(5)
(6)
(7)

## Gambar 4. Temperatur vs Waktu

## 3.1. Simulasi Pagi Hari
Pada  simulasi  ini  merupakan  hasil  simulasi  pada  pagi  hari  pukul  08.00  WIB,  maka dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
(a) (b) (c)
Gambar 5. (a) Distribusi Temperatur Pagi Hari, (b) Distribusi Streamline Temperatur Pagi Hari, (c) Distribusi Vektor Kecepatan Pagi Hari Pada  gambar  diatas  merupakan  hasil  simulasi  berupa  analisa  distribusi temperatur, streamline temperatur dan vektor kecepatan yang terjadi pada bagian kolektor dan juga ruang pengering dari alat pengering kopi pada pagi hari pukul 08.00 WIB. Dapat dilihat distribusi kontur temperatur yang terjadi pada  setiap  bagian kolektor dan ruang pengering  masih  mengalami temperatur  yang cukup rendah  yaitu  sekitar 24.919 C, ini disebabkan  karena  kondisi  simulasi  adalah  pada  saat  pagi  hari,  dimana  temperatur absorber  masih  sekitar  34  C  sehingga  distribusi  temperatur  yang  berada pada  kolektor cenderung sama.
Dengan adanya hisapan udara keluar ruang pengering, rata rata kecepatan aliran udara  yang  masuk  pada  kolektor  yaitu  sebesar  9.78413  m  s^-1.  Diperoleh  pola  aliran vektor kecepatan pada daerah sekitar aliran masuk kolektor,  yang terbentuk  cenderung memutar  yaitu  pada  bagian  kolektor  yang  rata,  ini  disebabkan  karena  perbedaan temperatur  yang  masuk  ke  dalam  kolektor  terhadap  plat  absorber  yang  menyebabkan terjadinya peristiwa perpindahan panas secara konveksi  antara plat  absorber dan udara masuk,  udara  yang  temperatur  lebih  dingin  akan  bergerak  pada  temperatur  absorber yang  lebih  panas  yang  berada  pada  bagian  kiri  dan  kanan  kolektor  datar,  sehingga terbentuklah pola aliran vektor yang cenderung memutar.

## 3.2. Simulasi Siang Hari
Pada  simulasi  ini  merupakan  hasil  simulasi  pada  pagi  hari  pukul  13.00  WIB,  maka dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
(a) (b) (c)
Gambar 6. (a) Distribusi Temperatur Siang Hari, (b) Distribusi Streamline Temperatur Siang Hari, (c) Distribusi Vektor Kecepatan Siang Hari Pada gambar diatas merupakan hasil simulasi berupa analisa distribusi  pola aliran vektor kecepatan yang terjadi pada alat pengering kopi yang terjadi pada siang hari pukul 13.00 WIB. Dapat dilihat distribusi kontur temperatur yang  terjadi pada setiap komponen alat pengering kopi, Dengan plat absorber yang bersuhu 104 C, kemudian memanaskan udara  yang  masuk  melalui  kolektor  sekitar  33.082  C,  dan  mendistribusikan  udara  ke bagian ruangan pengering dengan temperatur rata rata yaitu 71.05 C.
Distribusi pola aliran streamline temperatur yang terjadi yaitu udara yang masuk melalui lubang inlet juga cenderung menyebar dan membentuk pola aliran yang memutar pada kolektor rata, namun distribusi pola aliran streamline pada siang hari ini memiliki penyebaran yang cenderung lebih turbulent dari pada pagi hari, ini disebabkan temperatur udara  pada  kolektor  mempengaruhi  distribusi  aliran  udara  yang  terdapat  pada  alat pengering.
Distribusi  pola  aliran  vektor  kecepatan  yang  terbentuk  memiliki  nilai  distribusi kecepatan yang lebih tinggi dari pada yang terjadi pada pagi hari dimana terdapat udara yang memiliki kecepatan 3.70575 m s^-1 ini disebabkan karena temperatur yang terjadi pada  siang  hari  cukup  tinggi  sehingga  dikarenakan  adanya  perpindahan  panas  secara konveksi  yang  terjadi  akan  menyebabkan  peningkatan  distribusi  udara  baik  dari temperatur  yang  rendah  ke  temperatur  yang  lebih  tinggi,  dan  temperatur  tinggi  ke temperatur yang lebih rendah/konsep kesetimbangan energi.

## 3.3. Simulasi Sore Hari
Pada  simulasi  ini  merupakan  hasil  simulasi  pada  pagi  hari  pukul  17.00  WIB,  maka dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
(a) (b) (c)
Gambar 7. (a) Distribusi Temperatur Sore Hari, (b) Distribusi Streamline Temperatur Sore Hari, (c) Distribusi Vektor Kecepatan Sore Hari Pada gambar diatas merupakan hasil simulasi berupa analisa distribusi  pola aliran vektor kecepatan yang terjadi pada alat pengering kopi yang terjadi pada sore hari pukul 17.00  WIB.  Dapat  dilihat  distribusi  kontur  temperatur  yang  terjadi  pada  sore  hari temperatur  pada  komponen  kolektor  maupun  ruang  pengering  sudah  menurun  dan memiliki  temperatur  yang  hampir  sama  dimana  temperatur  yang  terdapat  pada  ruang pengering yaitu 26.676 C.
Dapat dilihat distribusi pola aliran streamline distribusi temperatur yang terjadi, yaitu udara yang masuk melalui lubang inlet juga cenderung menyebar dan membentuk pola aliran yang memutar pada kolektor rata, distribusi pola aliran streamline pada sore hari ini memiliki penyebaran yang cenderung sama dengan yang terjadi pada pagi hari.
Distribusi pola aliran vektor kecepatan yang terjadi pada sore hari memiliki pola yang hampir sama dengan aliran vektor kecepatan pada pagi hari, dimana terdapat pola aliran Kecepatan udara di bagian ruang pengering 0.0225839 m s^-1.

## 4. KESIMPULAN
Distribusi  temperatur  dan  kecepatan  udara  yang  terjadi  pada  alat  pengering  kopi ditentukan dari temperatur masuk udara dan sumber panas radiasi matahari yang terjadi pada saat proses pengeringan. Kolektor surya yang berfungsi menampung panas memiliki distribusi  temperatur  penentu  pada  terjadinya  distribusi  ruang  pengering  dikarenakan udara masuk dialirkan dari kolektor surya ke ruang pengering dengan estimasi perbedaan temperatur  absorber  dengan  ruang  pengering  adalah  31%  pada  siang hari.  Distribusi kecepatan udara yang terjadi tidak memiliki perbedaan yang cukup besar apabila terjadi pada pagi, siang dan sore hari, tetapi pada siang hari dapat meningkatkan turbulensi dan penyebaran aliran udara pada kolektor surya dan ruang pengering.
Pada  penelitian  ini  memiliki  batasan  dengan  menganalisa  proses  perpindahan panas dan distribusi udara, untuk itu dengan adanya penelitian ini, diharapkan penelitian selanjutnya  dapat  melakukan  penelitian  simulasi  untuk  menganalisa  penurunan  massa pada  proses  pengeringan  sehingga  dapat  mengestimasi  proses  pengeringan  yang  lebih mendekati dengan keadaan aktual dengan metode simulasi CFD.

## 5. REFERENSI
[1] H.  Putra,  F.  H.  Napitupulu,  H.  Ambarita,  and  S.  F.  Dina,  “Experimental  Study and  Mathematical  Modeling  of  Cocoa  Drying  Process  with  Solar  Energy Intermittenly,” 2014.
[2] P. Siagian, E. Y. Setyawan, T. Gultom, F. H. Napitupulu, and H. Ambarita, “A field survey on coffee beans drying methods of Indonesian small holder farmers,” in IOP Conference Series: Materials Science and Engineering , Institute of Physics Publishing, Sep. 2017. doi: 10.1088/1757-899X/237/1/012037.
[3] ) Parulian Siagian et al. , “Analisa Kebutuhan Energi Termal Pada Kotak Pengering Biji Kopi Arabica yang di Isolasi dengan Aluminium Foil,” vol. 4, no. 2, 2023.
[4] H. Ambarita, H. K. J. Munthe, and T. Hutagalung, “Design of a Continuous Coffee Bean Solar Dryer,” in Journal of Physics: Conference Series , Institute of Physics Publishing, Jun. 2020. doi: 10.1088/1742-6596/1542/1/012025.
[5] N.  D.  M.  Romauli  and  H.  Ambarita,  “Study  on  the  convective  drying  of  potato cube,” in IOP Conference Series: Earth and Environmental Science , Institute of Physics Publishing, Jun. 2019. doi: 10.1088/1755-1315/260/1/012042.
[6] W.  S.  Damanik,  F.  H.  Napitupulu,  A.  H.  Nasution,  and  H.  Ambarita,  “Energy analysis of double slope aktive solar still,” in IOP Conference Series: Materials Science  and  Engineering ,  Institute  of  Physics  Publishing,  Jan.  2020.  doi: 10.1088/1757-899X/725/1/012007.
[7] A. R. H. Sirait, G. P. Hutapea, and H. Ambarita, “Comparison of 2 angle collectors with variations 0°,  20°, 30° and trapezoidal groove plate,” in Journal of Physics: Conference Series , Institute of Physics Publishing, Jun. 2020. doi: 10.1088/1742- 6596/1542/1/012069.
[8] H. Ambarita, R. E. T. Siregar, A. D. Ronowikarto, and E. Y. Setyawan, “Effects of  the  inclination  angle  on  the  performance  of  flat  plate  solar  collector,”  in Journal of Physics: Conference Series , Institute of Physics Publishing,  Mar. 2018. doi: 10.1088/1742-6596/978/1/012097.
[9] A. Qadry, T. Hutagalung, K. J. M. Harry, R. A. M. Napitupulu, and H. Ambarita, “Experiemental study on solar dryer with extended flat plate collector,” in IOP
Conference  Series:  Materials  Science  and  Engineering ,  Institute  of  Physics Publishing, Jan. 2020. doi: 10.1088/1757-899X/725/1/012018.
[10] S. F. Dina, H. Ambarita, F. H. Napitupulu, and H. Kawai, “Study  on effectiveness of  continuous  solar  dryer  integrated  with  desiccant  thermal  storage  for  drying cocoa beans,” Case Studies in Thermal Engineering , vol. 5, pp. 32–40, Mar. 2015, doi: 10.1016/j.csite.2014.11.003.
[11] A.  Qadry,  N.  D.  M.  Romauli,  and  H.  Ambarita,  “Study  on  Experimental  of continuous  solar  dryer  with  dessicant  Cacl2  thermal  storage,”  in Journal  of Physics:  Conference  Series ,  Institute  of  Physics  Publishing,  Jun.  2020.  doi: 10.1088/1742-6596/1542/1/012043.
[12] Himsar Ambarita, Perpindahan Panas Dan Massa : Penyelesaian Analitik Dan Numerik , vol. 1. Malang: Intelegensia Media, 2017.