## Analisa Kebutuhan Energi Termal Pada Kotak Pengering Biji Kopi Arabica yang di Isolasi dengan Aluminium Foil
1). Parulian Siagian, 1). Richard  A.M Napitupulu, 1) Miduk  Tampubolon, 2) Lestina Siagian, 3) Horas Siagian, 3) Hendrik V Sihombing
1). Dosen tetap Prodi Teknik Mesin Universitas HKBP Nommensen,. Medan
2) Dosen tetap Prodi Teknik Elektro Universitas HKBP Nommensen,. Medan
3) Mahasiswa Pascasarjana  Prodi Teknik Mesin USU Medan parulian.siagian@uhn.ac.id

## Abstrac
The  experiment  test  was  carried  out  to  obtain  the  composition  of  the  caloric quality  needed  to  determine  the  water  content  and  the  mass  amount  of  coffee beans when they were dried by utilizing the sun's  heat.  Heat transfer processes by  convection,  conduction  and  radiation  play  an  important  role  in  the  drying process with heat quality. Ambient temperature data of 35 0 C with a constant fan rotation  speed  of  1.0m/s.  The  duration  of  the  test  is  5  days  where  the  initial sample  weight is  5000gr with the final  result  being a  water  content of  12-15%, with  a duration  of  testing per  day  for 10  hours  starting  at  08.00-18.00Wib. The final drying weight of coffee beans for 5 days is: 2500.21gr with an initial weight of 5000kg. The temperature difference around the  box is 31,110C.  heat weight to evaporate water content Q h = 65.6058.kJ. and the heat required in heating the Coffee  beans  is  72,839  kJ.  The  ability  to  dry  5000gr  of  coffee  beans  requires total heat: 138.43kJ with a drying box volume of 8.88m 3 . Keywords: Thermal,  Energy, coffee, isolation, aluminium foil.
Diterima : 20, Desember 2022, Revisi 20, Januari 2023, Diterima 23 February 2023
1. Pendahuluan .
Pengeringan  adalah  sebuah  proses  dalam  upaya  mengurangi  atau  menghilangkan sebagian  kadar  air  dari  suatu  bahan  atau  sampel  yang  dikeringkan.  Pengeringan  sangat berguna  di  banyak  hala  khususnya  untuk  penanganan  pasca  panen  pertanian..  Energy panas  dapat  kita  peroleh  dengan  secara  alami  (konvensional)  atupun  secara  metode buatan.  Energy  panas  konvensional  bersumber  dari  energy  panas  matahari  yang  kita dapatkan  secara  gratis  dan  cuma  cuma.  Hal  inilah  yang  menjadi  daya  tarik  tersendiri karena  tidak  mengeluarkan  biaya  .  Akan  tetapi  pengeringan  secara  konvensional  ini memilik  kerugian  tersendiri  karena  sangat  tergantung  oleh  cuaca  lingkungan  Salah  satu produk  yang  membutuhkan  pengeringan  adalah  kopi.  Prinsip  pengeringan  biasanya  akan melibatkan  dua  kejadian  yaitu  panas  yang  diberikan  pada  bahan  dan  air  yang  harus dikeluarkan dari bahan. Dua fenomena ini menyangkut pindah panas ke dalam dan pindah massa ke luar. Yang dimaksud dengan pindah panas adalah peristiwa perpindahan energi dari  udara  ke  dalam  bahan  yang  dapat  menyebabkan  berpindahnya  sejumlah  massa (kandungan  air)  karena  gaya  dorong  untuk  keluar  dari  bahan (pindah  massa)[1].  Metode pengeringan  yang  biasa  dilakukan  adalah  metode  konvensional  dan  pengering  buatan. Menurut  Survei  lapangan  pengeringan  kopi  di  provinsi  Sumatera  Utara  mengungkapkan bahwa  proses  pengeringan  adalah  sangat  tradisional[2].  Beberapa  factor  factor  yang mempengaruhi  Pengeringan  yaitu:  luas  permukaan,  suhu,  kecepatan  udara,  kelemabapan udara,tekanan udara,waktu.
Manfaat  yang  diharapkan  dalam  penelitian  ini  adalah  untuk  mendap[atkan  gambaran kalkulasi  kemampuan  dan  besar  energy  panas  yang  ada  dalam  kotak  pengering  sebagai pengering biji kopi dengan sumber panas yang berasal dari kolektor surya.

## 2. DASAR TEORI

## 2.1.Perpindahan  Kalor
Perpindahan  kalor  ( heat  transfer )  adalah  perpindahan  energi  dalam  bentuk  panas yang terjadi karena adanya perbedaan suhu diantara benda atau material [6]. Dalam proses perpindahan  energi  tersebut  tentu  ada  kecepatan  perpindahan  panas  yang  terjadi,  atau yang  lebih  dikenal  dengan  laju  perpindahan  panas.  Maka  ilmu  perpindahan  panas  juga merupakan  ilmu  untuk  menentukan  laju  perpindahan  panas  yang  terjadi  pada  kondisi- kondisi  tertentu.  Perpindahan  kalor  dapat  didefinisikan  sebagai  suatu  proses berpindahnya suatu energi (kalor) dari satu daerah ke daerah lain akibat adanya perbedaan temperatur  pada  daerah  tersebut.  Ada  tiga  bentuk  mekanisme  perpindahan  panas  yang diketahui, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

## 2.2. Perpindahan Kalor Konduksi
Perpindahan  kalor  konduksi  merupakan  proses  perpindahan  kalor  dimana  kalor mengalir  dari  daerah  yang  bertemperatur  tinggi  ke  daerah  yang  bertemperatur  rendah dalam  suatu  medium  (padat,  cair,  atau  gas)  atau  antara  medium-medium  yang  berlainan yang  bersinggungan  secara  langsung  sehingga  terjadi  pertukaran  energi  dan  momentum. Jika  pada  suatu  benda  terdapat  gradien  suhu  ( temperature  gradient ),  maka  akan  terjadi perpindahan  panas  serta  energi  dari  bagian  yang  bersuhu  tinggi  ke  bagian  yang  bersuhu rendah. Perhatikan perpindahan kalor konduksi seperti pada gambar 1.
Gambar 1. Perpindahan kalor konduksi[3]

## 2.3. Perpindahan Kalor Konveksi
Perpindahan  kalor  konveksi  merupakan  perpindahan panas antara  permukaan  solid dan  berdekatan  dengan  fluida  yang  bergerak  atau  mengalir  dan  itu  melibatkan  pengaruh konduksi  dan  aliran  fluida.  Menurut  cara  menggerakkan  alirannya,  perpindahan  panas konveksi  diklasifikasikan  menjadi  dua,  yakni  konveksi  bebas  ( free  convection )  dan konveksi  paksa  ( forced  convection ).  Bila  gerakan  fluida  disebabkan  karena  adanya perbedaan kerapatan karena perbedaan suhu, maka perpindahan panasnya disebut sebagai konveksi  bebas  ( free  convection ).  Bila  gerakan  fluida  disebabkan  oleh  gaya  pemaksa/ eksitasi dari luar, misalkan dengan pompa atau kipas yang menggerakkan fluida sehingga fluida mengalir di atas permukaan, maka perpindahan panasnya disebut sebagai konveksi paksa ( forced convection ). Perhatikan perpindahan kalor konveksi seperti pada gambar .2.
Gambar 2. Perpindahan kalor konveksi [4]

## 2.4. Perpindahan Kalor Radiasi
Berlainan  dengan  mekanisme  konduksi  dan  konveksi,  dimana  perpindahan  energi terjadi  melalui  bahan  antara,  kalor  juga  dapat  berpindah  melalui  daerah-daerah  hampa. Mekanismenya  di  sini  adalah  sinaran  atau  radiasi  elektromagntik  [4].  Jadi  radiasi merupakan  perpindahan  energi  karena  emisi  gelombang  elektromagnet  (atau photons ). Untuk mempermudah pemahaman, perhatikan gambar 3.
Gambar 3. Perpindahan kalor radiasi [5]

## 2.5. Energi Termal
Iradiasi  surya  ( lh )  Pengukuran  iradiasi  surya  menggunakan  alat lightmeter, dengan  cara diukur  langsung  di  dekat  alat  pengering,  yaitu  di  tempat  yang  terkena  sinar  matahari secara  langsung.  Total  iradiasi  surya  harian  ( Ih )  dihitung  secara  matematis  dengan menggunakan metode Simpson [6]
Ih= Δ𝑡 3 [ 𝐼 𝑖 +4Ʃ 𝐼 𝑡𝑔𝑙 +2Ʃ 𝐼 𝑡𝑔𝑓 + 𝐼 𝑓 ] ................................................................... 1) Kebutuhan energi yang digunakan dalam proses pengeringan, energi surya yang diterima oleh alat model pengering  [7]
Q1 = 3,6. I R A P ( τα) .t ....................................................................................... 2) Panas yang digunakan untuk menguapkan air produk dengan persamaan Siebel [5][8]
𝑄 3 = 𝑚 𝑢 × ℎ 𝑓𝑔 ................................................................................................................................. 3) 𝑀 𝑢 = 𝑚 0 . ( 𝑀 0−𝑀𝑓 100−𝑀 𝑓 )………………..  …...............................................4) 𝐻 𝑓𝑔 = 2502 – 2,3775 T .................................................................................. 5)
Panas yang diterima udara model pengering
𝑄 3 = 𝑚 𝑢𝑑 . 𝐶 𝑢𝑑 .( 𝑇 𝑅 − 𝑇 𝐼 ).3600t ............................................................... 6)
Kehilangan panas pada dinding transparan.
𝑄 𝑙4 = 𝐴 𝑑 . 𝑈 𝑑 . (𝑇 𝑅 − 𝑇 𝑎 ) ...................................................................... 7)
Panas yang digunakan untuk menaikkan suhu produk
𝑄 2 = 𝑚 0 . 𝐶 𝑃. ( 𝑇 2 - 𝑇 1 )  ...............................................................................  8) 𝐶 𝑝 = 0,837 + 0,034. 𝑀 0 ......................................................................... 9)
Efisiensi sistem pengeringan
ȵ = 𝑄 𝑡 𝑄 𝑇 × 100% .................................................................................... 10)
Metode penelitian yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimental. Analisis data  yang  dilakukan  dengan  pendekatan  matematis  untuk  menyelesaikan  model  perhitungan matematik yang diolah dengan program computer Math Lab.

## 3. Metode Penelitian
Penlitian  ini  dilakukan  di  Laboratorium  Sustainable  Energy  Researc  Centre  Program Studi  Teknik  Mesin  Fakultas  Teknik  Universitas  Sumatera  Utara.  Pembuatan  desain kotak  pengering  dimulai  dari  perhitungan  volume  ruangan  dan  persiapan  material pendukung. Ukuran Kotak pengering 960cm x 1135 cmx 1060cm lihat gambar 4.
Panel Surya 50 Wp
Kotak Pengering Kolektor Surya
50Wp
Gambar 4. Desain dan dimensi Kotak pengering Biji Kopi

## 4. Hasil dan Pembahasan
Gambar  5. Grafik  temperature ruang,  radiasi  matahari, temperature ambien dan
kelembapan
Pada gambar 5 diperlihatkan radiasi matahari berbanding terbalik dengan kelembapan sementara  temperature  ruangan  pada  saat  pukul  08.00  WIB  -  hingga  menjelang  pukul 12.00wib cenderung meningkat dan berangsur angsur turun lagi menjelang pukul 17.00 WIB. Demikian  juga  pengujian  hari  ke  dua  dan  seterusnya  hingga  hari  ke  lima.  Pada  jam  jam matahari  tidak  ada  antara  pukul  18.00  hingga  pukul  08.00  WIB  pagi  esok  harinya temperature dan kelembapan  minimum dan konstan.

## 4.1. Konsep Desain Kotak Pengering
Penentuan konsep desain kotak pengering untuk mengeringkan biji kopi difokuskan pada alat  pengumpul  panas  kolektor  yang  berfungsi  sebagai  pengumpul  panas  dan  penyerap radiasi  matahari  ditambah  bantuan  panel  surya  50Wp  sebanyak  2  buah  sebagai  sumber listrik  menggerakkan  kipas.  Kipas  angin  12volt  berfungsi  membantu  mengalirkan  panas yang  ada  dalam  kolektor  masuk  keruang  pengering  (konveksi  paksa).  Yang  diletakkan disalah  satu  sisi  kotak  pengering.  Kotak  pengering  di  alapisi  di  bagian  dalam  dengan aluminium  foil  uk  0.3  mm  baru  di  ikuti  styrofoam  30mm  danterakhir  plat  ukuran  3mm. Pelapisan  dilakukan  adalah  untuk  menjaga  temperatur  tetap  bisa  berfungsi  maksimum tanpa  mengalami  terbuang  begitu  saja.  Temperatur  ruang  pengering  berkisar  antara 32.343-  56.89 0 C,  temperature  ambient  25.70-35.00 0 C.  Kotak  pengering  bisa  berfungsi terus menerus sepanjamg waktu. Spesifikasi kotak pengering seperti tabel 1 dibawah ini.
Tabel 1. Data awal dalam perancangan Kotak pengering
No  Parameter Nilai Satuan 1 Kapasitas 5000 Gr 2 Kadar Air awal 90 % 3 Kadar Air akhir 12-15 % 4 Tempratur Kotak Pengering 56.89 0 C 5 Temperature Ambient 35 0 C

## 4.2. Dimensi dan Desain Kotak Pengering
Bobot biji kopi yang dikeringkan 5000 gr dengan massa jenis 561 kg/m 3. . Maka dari jumlah  kapsitas  biji  kopi  didapat  dimensi  yang  dibutuhkan  untuk  menampung  biji  kopi secara keseluruhan.
M kopi V = 5 kg = 0.0088 m 3
V kopi = = ρ kopi kopi 561kg / m 3
Sehingga kebutuhan volume  ruang kotak pengering adalah :
V kopi
0.0088 m 2 = p  x  l x t
= p x l x 0.0101m
0.0088 m 3 p  x  l = 0.0101m 2
=  0.8818 m 3

## = 8.88 m 2
Luas total kotal rak pengering 8.88 m 2 yang tersusun 3 buah rak bertingkat maka luas setiap rak 2.9 m 2 . Dimensi ruang pengering biji kopi dapat dilihat seperti tabel 2 dibawah ini.
Tabel 2. Dimensi dan karakteristik Kotak Pengering No Parameter Nilai Satuan 1 Kapasitas 5000 Gr 2 Jmlah Rak 3 Buah 3 Luas Total Rak 8.88 m 2 4 Luas setiap Rak 2.9 m 2 5 Lebar Rak 1 m 6 Panjang Rak 1 m 7 Jarak antara rak 0.25 m 8 Jumlah Ruang Pengering 3 buah 9 Tinggi Keseluruhan Rak 2 m 10 Lebar Ruang Pengering 1080 cm 11 Panjang  RuangPengering 1136 cm
4.3. Estimasi Total Energi yang dibutuhkan  untuk mengeringkan kopi
Q t ota l = Q h + Q w + Q loss ....................................................................................... (11)
Dimana :  Q h = Energi yang dibutuhkan untuk  memanaskan sampel  (kJ) Q w
= Energi yang dibutuhkan untuk   menguapkan  air   (kJ)
Q loss = Energi yang hilang di ruang pengering (kJ) Jadi energi yang dibutuhkan untuk memmanaskan/menguapkan kadar air dalam biji kopi dihitung dengan rumus :
Q h = m 1 x  C p ( kopi ) x  t m w x h fg
…………………………………………..……………… ….(12) Dimana : Q h = Kalor pengeringan (J) C p = Kapasitas Panas spesifik  kopi dengan asumsi C p = C air = 4.179kJ/kg 0 C, karena biji kopi cenderung banyak mengandung air
Δt  = T d – T i ( perobahan  suhu . 0 C) H fg =  h g -  h f (kalor  laten  penguapan,  dimana T  ruang  pengering  56.89 0 C, temperatur luar kotak pengering 25.78 0 C.
Energi yang dibutuhkan untuk memanaskan biji kopi adalah :
Q w = m x C p ( kopi ) x  t + t
m = . A . v
………………………………………………………(13)
Dimana : m = massa laju aliran fluida (kg/s) p  = masssa jenis fluida (km/m 3 ),. A =  luas penempang (m 2 ) v  = kecepatan aliran(m/s),.
t  = lama waktu pengeringan (menit)
4.4. Energi yang Hilang di Ruang Pengering
:
(a) (b) l T 1 K plat .A plat l K styrofoam . A styrofoam l T 0 K Al  foil .A Al  foil
1
h w . A 1 h w . A 1 h w . A (c)
Gambar 6..(a) Bahan dan skets ruang pengering, (b). Perpindahan panas  yang terjadi diruang pengering (c). Tahanan termal dan Analogi laju konduksi konveksi dalam kotak pengering.[9]
Energi yang hilang dilokasi ruang pengering  melalui salah satu sisi dinding dihitung denganpersamaan
Jadi  Q loss = U. A  .ΔT
T T Q = 2 1 loss l 1 l 1 l 1 + + + + + K plat xA plat hw . A  K styrofoam . A styrofoam hw . A K Al . Foil . A Al . Foil hw . A
Dimana: T 2 =  Temperature Kotak Pengering  ( 0 C) T 1 = Temperatur diluar kotak pengering ( 0 C) K = Konduktifitas Termal (w/m)
h w = Koefisien Perpindahan Panas  Konveksi (w/m 2 k)
A = Luas Penampang (m 2 )
Kandungan kadar air biji kopi yang dikeringkan selama 5 hari adalah : 2500.21gr. Untuk menghitung  besarnya  kalor  yang  dibutuhkan  untuk  menguapkan  kadar  air  dalam  bahan dapat di hitung dengan persamaan :
Q h = m 1 x Cp  x  t mw  x  h fg
C pko pi = 0.672 Kal/kg. 0 C dimana temperatur kotak pengering 56.89 0 C, temperatur luar kotak pengering 25.78 0 C, Sehingga di dapat ∆t  = T 1 - T 0 = 56.89 0 C- 25.78 0 C
= 31.11 0 C, maka  Q h =  5 kg x 4.179kJ/kg 0 C x (31.11 0 C) +( 2.5kg)  x ( 2406J/kg)

## Q  =  65.6058.kJ
Perhitungan panas yang dibutuhkan memanaskan biji kopi dalam ruang pengering dapat dihitung dengan menggunakan persamaan .
. Q = m C P ( udara ) T  x t
= ( Av ) C p ( udara ) T  x t
Kipas  terdiri  dari  2  buah  dengan  luas  penampang  A=  0.005m 2 ,  kipas  ini  berfungsi menghisap  temperatur  dalam  kotak  pengering  kelingkungan  dengan  kecepatan  konstan 1.0m/s. Waktu penegringan membutuhkan waktu 10 jam di mulai dari  08.00-18.00 Wib Q w = ( Av ) C P ( udara ) T  x t
Q w = 1.293 Jkg/m 3 x0.005m 2 x1m/s x1.006 J/kg 0 Cx 31.11 0 C x (10.3600)

## Q =  72.839  kJ
Jadi  kemampuan  untuk  mengeringkan  5kg  biji  kopi  memerlukan  kalor  total  adalah: 138.43kJ

## 5. Kesimpulan
Dari  hasil  pengujian  temperatur  dalam  kotak  pengering  56,89 0 C,  yang  bersumber  dari kolektor  surya  dengan  temperature  ambient  35 0 C.  Kecepatan  kipas  konstan  1.0m/s, dengan  lama  pengujian  per  hari  selama  10  jam  dimulai  pada  08.00-18.00  WIB.  Akhir
penegeringan bobot kadar air biji kopi selama 5 hari adalah 2500,21gr dengan berat awal 5000kg.
Dengan  perbedaan  temperature  dalam  kotak  pengering  dan  temperature  lingkungan 31.11 0 C,  besarnya  kalor  yang  dibutuhkan  untuk  menguapkan  kadar  air  dalam  bahan Q h= 65.6058.kJ. Panas  yang  dibutuhkan  memanaskan  biji  kopi 72.839  kJ.  K emampuan untuk  mengeringkan  5kg  biji  kopi  memerlukan  kalor  total  adalah  :138.43kJ  dengan volume kotak pengering 8.88m 3 .

## DAFTAR PUSTAKA
[1] E. Y. Setyawan, S. Djiwo, and T. Sugiarto, “SIMULATION MODEL OF FLUID FLOW
AND TEMPERATURE DISTRIBUTION IN POROUS MEDIA USING
CYLINDRICAL, CONVERGENT AND DIVERGENT NOZZLES,” 2017.
[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 , Sep. 2017, vol. 237, no. 1, doi: 10.1088/1757- 899X/237/1/012037.
[3] F. P. Incropera and D. P. DeWitt, Fundamentals of heat and mass transfer , 4th ed. New York, Amerika: Wiley, 1996.
[4] Y. A. Cengel, “Heat Transference a Practical Approach,” MacGraw-Hill, vol. 4, no. 9, p. 874, 2004, [Online]. Available: http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-20279-7_5.
[5] J. Holman, Perpindahan Kalor , 6th ed. Jakarta: Erlangga.
[6] E. J. Purcell and D. Varberg, Kalkulus dan Geometri Analitis , 5th ed. Jakarta: Erlangga, 1992.
[7] Galuh Fekawati Rustam M., Wulandani, and Dyah, “Uji Performansi Model Pengering Efek  Rumah  Kaca  (ERK)-  Hybrid  Tipe  Rak  Berputar  Pada  Pengeringan  Jamur  Tiram Putih (Pleurotus ostreatus),” Institut Pertanian Bogor, Bogor, 2010.
[8] R. P. Singh and D. R. Heldman, Introduction to Food Engineering . Academic Press is an imprint of Elsevier, 2014.
[9] P. Siagian, Pengantar Perpindahan Panas , 1st ed. Medan: Kita Menulis, 2022.