## ANALISIS THERMAL DAN REDESAIN ALAT PENGERING KAKAO MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD) DI USAHA MANDIRI DESA WIYONO KABUPATEN PESAWARAN
A. Yudi Eka Risano 1 * , M. Husein Manalu 2 , dan M.Dyan Susila E.S 3
1,2,3 Jurusan Teknik Mesin, Universitas Lampung; Jl. Prof. Sumantri Brojonegoro No.1, Lampung
Riwayat artikel: Received: 24  Februari   2022 Accepted: 17  Maret   2022 Published: 10 April   2022

## Keywords:
Alat pengerin , Kakao, Kalor, Analisis Thermal, Computational Fluid Dynamics
Corespondent Email: yudi.eka@eng.unila.ac.id
How to cite this article:
David  (2022) Analisis Thermal Dan Redesain Alat Pengering Kakao Menggunakan Computational Fluid Dynamics (Cfd) Di Usaha Mandiri Desa
Wiyono Kabupaten Pesawaran Informatika dan Teknik Elektro Terapan, 10(2)
This article is an open-access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY NC)
Abstrak. Usaha Mandiri di desa Wiyono Kabupaten Pesawaran merupakan salah satu bentuk  usaha  yang  bergerak  di  bidang  pengolahan  kakao  melalui  proses  pengeringan dengan alat pengering sederhana berukuran panjang 2,4 m, lebar 1,2 m dan tinggi 0,6 m. Untuk  meningkatkan  efektifitas  alat  pengering  yang  digunakan  dan  meningkatkan kualitas  hasil  pengeringan,  maka  dilakukan  penelitian  dengan  pertama-tama  dilakukan analisis  perpindahan  panas,  laju  aliran  panas  dan  distribusi  temperatur  yang  terjadi  di dalam  alat  pengering  tersebut.  Selanjutnya  dari  hasil  yang  diperoleh,  dilakukan  proses redesain alat pengering. Dalam proses redesain alat pengering berdasarkan perhitungan termal, sebaran suhu dan laju energy panas yang terjadi di dalam ruang pengering serta waktu  pengeringan  yang  dibutuhkan  dan  kebutuhan  bahan  bakar  (kayu  bakar).  Tahap selanjutnya,  hasil  redesain  alat  dianalisis  kembali  terutama  distribusi  temperatur  yang terjadi dengan simulasi pemodelan menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD). Dari hasil perhitungan dan simulasi CFD didapatkan suhu rata-rata pengeringan sebesar 85,34 o C, kalor yang dibutuhkan selama proses pengeringan 420.062,32 kJ, waktu yang dibutuhkan dalam pengeringan 16 jam dan bahan bakar yang diperlukan sebanyak 102,96 kg atau 0,11 m 3 .
Abstract. Independent business in Wiyono village, Pesawaran Regency is a form of business that is engaged in cocoa processing through a drying process with a simple dryer measuring 2.4 m long, 1.2 m wide and 0.6 m high. To increase the effectiveness of the dryer used and improve  the quality of the drying results, a research was carried out by first analyzing the heat transfer, heat flow rate and temperature  distribution  that  occurred  in  the  dryer.  Furthermore,  from  the results  obtained,  the  process  of  redesigning  the  dryer  is  carried  out.  In  the process of redesigning the dryer based on thermal calculations, the distribution of temperature and rate of heat energy that occurs in the drying chamber as well as the drying time required and the need for fuel (firewood). The next stage, the results  of  the  redesign  of  the  tool  are  re-analyzed,  especially  the  temperature distribution  that  occurs  by  modeling  simulations  using  Computational  Fluid Dynamics  (CFD).  From  the  results  of  calculations  and  simulations  of  CFD obtained an average drying temperature of 85.34 oC, the heat required during the drying process is 420.062.32 kJ, the time required for drying is 16 hours and the fuel required is 102.96 kg or 0.11 m3.

## 1. Pendahuluan
Tumbuhan  kakao  merupakan  tanaman  perkebunan  yang berasal  dari  Amerika  Selatan,  namun  seiring  perkembangan zaman  maka  tumbuhan  kakao  dapat  hidup  di  negara  lain, termasuk  di  Indonesia.  Tumbuhan  kakao  ini  banyak  tumbuh dengan  subur  di  beberapa  daerah  di  Provinsi  Lampung khususnya  di  kabupaten  Pesawaran.  Luas  lahan  kako  di
kabupaten  Pesawaran  sebesar  15.146,8  hektar  dan  produksi sebesar 8.517,8 ton , BPS Kabupaten Pesawaran, 2013 [1].
Proses  produksi  kakao  di  salah  satu  desa  d  kabupaten Pesawaran  yaitu  di  desa  Wiyono  dilakukan  melalui  proses pengeringan  dengan  dua  cara  yaitu  dengan  sinar  matahari  dan juga  dengan  menggunakan  alat  pengering  dengan  bentuk  bak penampung.
Seiring  permintaan  pasar  akan  kakao  yang  semakin meningkat,  maka  pengeringan  secara  tradisional  dengan  sinar
https://doi.org/10.23960/jitet.v10i2.2444
matahari  sudah  tidak  dapat  memenuhi  permintaan  tersebut dikarenakan waktu pengeringan ini relative lama yaitu 3-4 hari.
Oleh karena itu diperlukan alat pengering kakao yang lebih efektif. Di Usaha Mandiri desa Wiyono sudah menggunakan alat pengering  kakao  sederhana  yang  berukuran  240  cm  x  120  cm. Untuk  meningkatkan  efektifitas  alat  pengering  kakao  ini  maka dilakukan analisis, redesain dan modifikasi alat pengering.

## 1.1. Karakteristik biji kakao dan kerusakan pada biji kakao
Kakao  merupakan  tanaman  perkebunan  yang  hidup  dengan naungan  pohon-pohon  yang  tinggi  dengan  curah  hujan  dan kelembaban yang tinggi serta suhu yang relatif sama sepanjang tahun. Tanaman tahunan ini dapat mulai berproduksi pada umur 18 bulan (1,5 tahun).
Karakteristik biji kakao banyak diperhatikan terutama karena berpengaruh  terhadap  hasil  yang  akan  diperoleh  oleh  pabrik cokelat, khususnya adalah kadar air, berat biji, dan kadar kulit. Sifat-sifat fisik tersebut satu sama lain saling berkaitan dan dapat ditentukan dengan mudah, Wahyudi, 2008 [2].
Pada  biji  kakao  terdapat  beberapa  kerusakan  yang  sering terjadi, antara lain :
a. Kerusakan fisik atau mekanis Kerusakan  ini  terjadi  karena  adanya  perlakuan  fisik  atau adanya benturan mekanis selama pasca panen, pengemasan, pengangkutan maupun selama penyimpanan.
b. Kerusakan biologis Kerusakan  biologis  pada  biji  kakao  terjadi  karena  hama gudang,  bintang  pengerat  maupun  perlakuan  fisiologis.
Kerusakan  ini  juga  dipengaruhi  oleh  kadar  air,  suhu penyimpanan serta oksigen.
c. Kerusakan mikrobiologis Kerusakan  ini  disebabkan  oleh  pengeringan  yang  tidak optimal  atau  biji  kering  yang  menyerap  air  selama penyimpanan sehingga hal ini dapat mendorong jamur-jamur tumbuh dalam biji kakao.
d. Kerusakan kimia
Kerusakan  kimia  ini  disebabkan  karena  perubahan  kimia yang  dipengaruhi  oleh  suhu  selama  reaksi  berlangsung, seperti  oksigen  yang  mempercepat  reaksi  oksidasi,  reaksi biologis  seperti  enzimatik,  pH  yang  mempengaruhi denaturasi protein atau perubahan warna, dan adanya logam yang menjadi precursor reaksi.
Penurunan  kualitas  mutu  kakao  dapat  dicegah  dengan menerapkan  teknologi  pasca  panen  kakao  yang  benar  dan memperhatikan syarat mutu kakao yang telah ditentukan.
Dengan memperhatikan hal tersebut diharapkan mutu kakao Indonesia  bukan  hanya  mengalami  peningkatan  produksi  dari segi kuantitas tapi juga mempunyai daya saing dari segi kualitas di  pasar  internasional  Pusat  Penelitian  Kopi  dan  Kakao Indonesia, 2010 [3].

## 1.2. Pengeringan biji kakao
Biji  kakao  yang  diperdagangkan  dan  dipergunakan  untuk produk-produk  coklat  diperoleh  dari  pengolahan  biji  kakao. Untuk dapat menghasilkan biji kako yang berkualitas baik maka harus melalui tahapan-tahapan yang benar.
Adapun  tahapan  dalam  penanganan  pasca  panen  kakao meliputi  pemetikan,  pengupasan/pemecahan  kulit  buah, fermentasi,  perendaman,  dan  pencucian,  pengeringan  dan penyimpanan  merupakan  tahapan  penting  dalam  pengolahan untuk memperoleh biji kakao yang bermutu baik, Susanto, 1994 [4]
Pada  proses  pengeringan  selalu  diinginkan  kecepatan pengeringan  yang  optimal,  Hayati,  2012  [5].  Oleh  karena  itu perlu  dilakukan  usaha-usaha  untuk  mempercepat  pindah  panas dan  pindah  massa  (pindah  massa  dalam  hal  ini  adalah perpindahan massa air keluar dari bahan yang dikeringkan dalam proses  pengeringan  tersebut).  Ada  beberapa  faktor  yang  perlu diperhatikan  untuk memperoleh kecepatan  pengeringan maksimum, yaitu, Voigh, 2008 [6]:
a. Luas permukaan
b. Suhu
c. Kecepatan udara
d. Kelembaban udara
e. Tekanan atmosfir dan vakum
f. Waktu
1.3.  Analisa  kadar  air  dan  kebutuhan  energi  selama  proses pengeringan kakao
Kadar  air  kakao  yang  telah  dikeringkan  dapat  dihitung dengan persamaan, Abdulillah, 2000 [7] :
  % 100 x W W W K kk ko kk f − = (1)
dimana :
K f = kadar air kakao (%) W kk = berat kakao kering (kg) W ko = berat kakao dengan kadar air 0% (kg)
Sedangkan kebutuhan energi (Q d ) selama proses pengeringan dapat dihitung dengan persamaan Incropera, 1990 [8] :
l w h d Q Q Q Q + + = (2)
dimana :
Q h = energi pemanasan kakao (kkal) Q w = energi pemanasan air kakao (kkal)
Q l = energi penguapan air kakao (kkal)

## 2. Metodologi

## 2.1 Persiapan alat dan bahan
Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah alat pengering kakao, termokopel, dan komputer dengan software computational fluid dynamics (CFD).

## 2.2 Tahapan penelitian
Adapun tahapan yang dilakukan pada penelitian ini meliputi pengumpulan  data-data  pendukung,  perhitungan  dan  analisis perpindahan  panas  yang  terjadi,  proses  redesain  alat  pengering kakao  dan  melakukan  analisis  hasil  redesain  dengan menggunakan CFD.

## 3. Hasil dan pembahasan

## 3.1 Data-data teknis awal
Data-data  teknis  awal  dari  alat  pengering  kakao  dan karakteristik  kakao  yang  terdapat  di  desa  Wiyono  kabupaten Pesawaran, adalah sebagai berikut :
a. Spesifikasi alat pengering kakao
Panjang alat pengering : 240 cm Lebar alat pengering : 120 cm Tinggi alat pengering : 80 cm Jumlah plat : 1 buah
Material pelat : tembaga Ukuran pelat : 224 cm x 104 cm Material dinding : bata dan asbes Kapasitas alat pengering
: 100 kg
b. Karakteristik kakao
Pengeringan  kakao  di  desa  Wiyono  dilakukan  dengan  dua tahap yaitu dengan cara menjemur selama satu hari kemudian dilakukan pengeringan dengan menggunakan alat pengering kakao.  Adapun  perubahan  karakteristik  kakao  diukur  dari perubahan berat kakao yang dihasilkan.
Berat kakao (kadar air 55%)
: 100 kg
Berat kakao (kadar air 7%)
: 48,38 kg
c. Distribusi temperatur ruang pengering Adapun lokasi pengukuran distribusi temperatur dapat dilihat pada  gambar  1  dan  hasil  pengukuran  pada  plat  pengering kakao sebelum proses redesain dapat dilihat pada tabel 1.
Gambar  1 .  Lokasi  pengukuran  distribusi  temperatur  pada  alat pengering kakao
Tabel 1. Hasil pengukuran distribusi temperature pada plat alat pengering kakao sebelum redesain Nomor Lokasi Temperatur ( o C) 1 62,6 2 59,2 3 51,7 4 64,3 5 64,8 6 70,7 7 65,8 8 63,3 9 55,5
d. Simulasi CFD awal (sebelum redesain) alat pengering Untuk  mensimulasikan  rancangan  awal/sebelum  desain  alat pengering  kakao  ini  menggunakan  parameter-parameter masukan seperti pada tabel 2 berikut :

## Tabel 2. Parameter masukan pada simulasi menggunakan CFD
Parameter Nilai Temperatur masuk pipa 120 o C Debit udara masuk 0,052 m 3 /det Temperatur awal alat pengering 30 o C Temperatur lingkungan 30 o C Kecepatan udara masuk ruang pengering 0,1 m/det Tekanan udara 1 atm
Hasil simulasi awal alat pengering dapat dilihat pada gambar 2 dan poin parameter sebaran suhu pada plat dapat dilihat pada tabel 3.
Gambar 2 . Hasil simulasi alat pengering sebelum redesain
Tabel 3. Poin parameter sebaran suhu pada plat x (m) y (m) z (m) P (atm) T ( o C) 0,38 1,04 1,73 1 50,29 0,37 1,04 2,45 1 62,03 0,35 1,04 3,12 1 55,15 2,66 1,04 3,16 1 47,07 2,75 1,04 1,67 1 60,13 2,73 1,04 2,54 1 75,11 5,15 1,04 3,22 1 36,40 5,13 1,04 3,15 1 36,30 5,12 1,04 1,74 1 40,60
Dari  hasil  pengukuran  distribusi  temperature  pengeringan dan  simulasi  menggunakan  CFD  menunjukkan  sebaran  suhu pada  alat  pengering  tidak  merata.  Sehingga  dilakukan  redesain alat pengering untuk mendapatkan hasil sebaran suhu yang lebih baik.

## 3.2 Redesain alat pengering kakao
Tujuan utama  dari  redesain  alat  pengering  kakao  ini  adalah untuk membuat sebaran suhu yang terdapat di ruang pengering merata.  Pada  penelitian  ini  redesain  yang  dilakukan  dengan mengurangi  tinggi  alat  pengering,  menambahkan  lapisan dinding, memperbesar ukuran rak, dan menambahkan pipa aliran gas  panas  di  bawah  plat  pengering.  Adapun  perbedaan  desain awal dan redesain alat pengering terlihat pada tabel berikut.
Tabel 4. Parameter redesain alat pengering
No Keterangan Desain awal Redesain 1 Panjang alat pengering 240 cm 240 cm 2 Lebar alat pengering 120 cm 120 cm 3 Tinggi alat pengering 80 cm 60 cm 4 Material dinding Yunianto, 2014 [9] Bata Baja dan asbes 5 Jumlah rak 1 1 6 Ukuran rak 220 cm x 100 cm 239,4 cm x 119,4 cm 7 Diameter pipa dalam - 2,54 cm 8 Total panjang pipa - 57,6 m 9 Material pipa - Tembaga
Adapun rancangan modifikasi redesain alat pengering kakao dapat dilihat pada gambar berikut.
(a)
Pesawaran (a) sebelum modifikasi (b) setelah modifikasi
https://doi.org/10.23960/jitet.v10i2.2444

## 3.3 Simulasi redesain alat pengering kakao
Setelah  dilakukan  redesain  dan  modifikasi  alat  pengering kakao, selanjutnya dilakukan simulasi menggunakan CFD. Hasil simulasi  dan  sebaran  suhu  redesain  alat pengering  kakao  dapat dilihat pada gambar 4 dan tabel 5 berikut.
Gambar 4 . Hasil simulasi ruang pengering setelah modifikasi
Tabel 5. Poin parameter sebaran suhu pada plat hasil redesain
x (m) y (m) z (m) P (atm) T ( o C) 0,33 1,05 1,72 1 81,47 0,36 1,05 2,44 1 84,60 0,35 1,05 3,13 1 81,46 2,76 1,05 3,15 1 86,70 2,77 1,05 1,66 1 81,03 2,77 1,05 2,55 1 86,50 5,13 1,05 3,20 1 81,25 5,13 1,05 3,12 1 81,22 5,14 1,05 1,77 1 81,32
Dari gambar 4 dan tabel 5 di atas terlihat bahwa sebaran suhu yang  terjadi  pada  plat  pengering  telah  merata  yang  ditandai dengan  warna  hijau  yang  dominan  dengan  suhu  yang  telah mencapai suhu optimal pengeringan yaitu 65 – 90 o C.
3.4 Perhitungan kalor dan kebutuhan bahan bakar pengeringan
a. Data-data awal perhitungan
Adapun  data-data  awal  yang  diperlukan  dalam  perhitungan terdapat pada table berikut :

## Tabel 6. Data awal perhitungan
Keterangan Nilai Berat total kakao awal (W kb ) 100 kg Berat total kakao dengan kadar air 0% (W ko ) 45 kg Berat total kakao dengan kadar air 7% (W kk ) 48,38 kg Berat air total kakao (W i ) 55 kg Temperatur awal kakao 30 o C Temperatur gas masuk alat pengering (T s ) 120 o C Temperatur lingkungan 30 o C Panas jenis kakao (h fg ) 2,23 kJ/kg Panas laten penguapan air (l) 2295 kJ/kg Nilai kalor terendah kayu bakar (LHV kb ) 17.000 kJ/kg Panjang alat pengering 2,4 m Lebar alat pengering 1,2 m Tinggi alat pengering 0,6 m b. Perhitungan energi pemanasan kakao (Q h )
T c W Q kakao p kb h
 = . . . ( ) 30 34 , 85 23 , 2 100 − = x x kJ 59 , 400 . 12 = c. Perhitungan energi pemanasan air kakao (Q w )
T c W Q air p i w  = . . . ( ) 30 34 , 85 18 , 4 55 − = x x kJ 723 . 12 = d. Perhitungan energi penguapanan air kakao (Q i ) fg r i h W Q . = 2295 62 , 51 x = kJ 49 , 467 . 118 = e. Perhitungan laju aliran energy konveksi (Q kv ) ( ) d s kv T T A h Q − = . . ( ) 34 , 85 120 19 , 9 79 , 7 − = x x jam kJ W / 74 , 930 . 8 76 , 480 . 2 = = f. Perhitungan lama pengeringan (t) kv i w h Q Q Q Q t + + = 7411 , 8930 49 , 467 . 118 723 . 12 59 , 400 . 12 + + = jam 07 , 16 = g. Perhitungan total kalor yang dibutuhkan (Q total ) lw kv i w h total Q Q Q Q Q Q + + + + = + + + = 49 , 467 . 118 723 . 12 59 , 400 . 12 78 , 882 . 132 45 , 588 . 143 + + kJ 32 , 062 . 420 = h. Total bahan bakar yang dibutuhkan (BB) tungku bakar kayu kebutuhan BB  = 24 , 0 71 , 24 = ) 103 , 0 ( 96 , 102 3 m kg =

## 4. Kesimpulan
Dari hasil penelitian didapatkan hasil redesain alat pengering kakao dengan dimensi 240 cm x 120 cm x 60 cm dengan diameter pipa  dalam  pengering  1  inci  dan  pipa  depan  serta  belakang masing-masing berukuran 4 inci yang terbuat dari tembaga serta dinding  alat  pengering  terbuat  dari  asbes  dengan  tebal  3  mm. Sedangkan  dari  hasil  perhitungan  dan  simulasi  menggunakan CFD  diperoleh  suhu  pengeringan  mencapai  85,34 o C,  dengan lama  pengeringan  ±  16  jam  (lebih  cepat  dibandingkan  desain awal  22  jam),  serta  kebutuhan  bahan  bakar  yang  berupa  kayu bakar dengan jumlah lebih hemat yaitu sebesar 102,96 kg (0,103 m 3 ).

## Ucapan terima kasih
Ucapan  terima  kasih  penulis  sampaikan  kepada  Usaha Mandiri  desa  Wiyono  kabupaten  Pesawaran  atas  izin  dan kerjasamanya serta Fakultas Teknik Universitas Lampung yang telah memberikan dukungan dan bantuannya sehingga penelitian ini dapat berjalan lancar.

## Daftar pustaka
[1]  Badan  Pusat  Statistik  Kanupaten  Pesawaran  (2013)  Luas Areal  dan  Produksi  Tanaman  Perkebunan  Menurut  Jenis Komoditi di Kabupaten Pesawaran, Lampung.
[2]  Wahyudi,  T.,  T.R.  Panggabean,  Pujianto,  A.A.  Prawoto.
(2008). Panduan Lengkap Kakao Manajemen Agribisnis dari Hulu hingga Hilir, Penebar Swadaya, Jakarta.
[3]  Pusat  Penelitian  Kopi  dan  Kakao  Indonesia.  (2010)  Buku Pintar Budidaya Kakao, Agromedia Pustaka, Jakarta.
[4] Susanto. (1994) Tanaman Kakao Budidaya dan Pengolahan Hasil, Kanisius, Yogyakarta.
[5] Hayati, R., Yusmanizar, Mustafril, Fauzi, H., (2012) Kajian fermentasi  dan  suhu  pengeringan  pada  mutu  kakao,  Jurnal Keteknikan Pertanian, Vol. 26, N0.2, 129-135.
[6]  Voigh,  Rudolf.  (2008)  Buku  Pelajaran  Teknologi  Farmasi, UGM Press, Yogyakarta.
[7] Abdulillah, Kamaruddin (2000) Pengeringan Industrial, IPB Press, Bogor.
[8]  Incropera,  F.P.,  and  De  Witt,  D.P.  (1990)  Fundamentals  of Heat and Mass Transfer, Third Edition, John Wiley & Sons, New York.
[9]  Yunianto,  Bambang  dkk.  (2014)  Pengembangan  Desain Tungku  Bahan  Bakar  Kayu  Rendah  Polusi  Dengan Menggunakan Dinding Beton Semen, Jurusan Teknik Mesin, Universitas Diponegoro.
Vol. 10 No. 2, April 2022   ISSN: 2303-0577