Received 30 Desember 2023; Received in revised form 20 March 2024; Accepted 20 March 2024 Available online 22 March 2024
Contents list available at Sinta

## A R M A T U R
: Artikel Teknik Mesin & Manufaktur
Journal homepage: https://scholar.ummetro.ac.id/index.php/armatur
Perancangan  dan  Simulasi Computational  Fluid  Dynamics (CFD)  pada Tabung Mesin Rotary Dryer untuk Pengeringan Batu Kapur dalam Industri Semen
Nani Mulyaningsih 1* , Arief Prasetyo 2 , Ikhwan Taufik 3
1,  2,  3 Jurusan  Teknik  Mesin  dan  Industri,  Fakultas  Teknik,  Universitas  Tidar,  Jl.  Kapten  Suparman  No.  39, Magelang Utara, Kota Magelang, Jawa Tengah, 56116, Indonesia.

## A R T I C L E
I N F O

## A B S T R A C T
Keywords: computational fluid dynamics, rotary dryer machine, cement The  cement  industry  is  one  of  the  most  important industries  to  fulfill  the  needs  of  infrastructure, construction, and development. The rotary dryer, as a commonly  used  drying  equipment  in  the  cement manufacturing  industry,  works  with  the  principle  of flowing  heat  directly  into  a  rotating  tube  containing raw materials to be dried. The research was conducted by  designing  a  rotary  dryer  works  on  dimensions  of 3100 mm long, 1000 mm wide, 620 mm high, 750 mm diameter  tube,  and  2400  mm  long  using  SolidWorks 2022 software and simulating the machine frame using Ansys  2023  software.  This  machine  uses  a  20  HP electric  motor  to  drive  the  tube  during  the  drying process  with  a  tube  capacity  of  450  kg/hour  and  a rotating speed of 15 rpm. The frame material uses AISI 1020 steel. Based on the CFD simulation results on the rotary dryer machine tube, the best  heat  distribution with drying efficiency seen from the heat distribution is 74%.

## Pendahuluan
Industri semen merupakan salah satu industri yang sangat penting untuk memenuhi kebutuhan infrastruktur, konstruksi,  dan  pembangunan.  Banyaknya proyek pembangunan dan perbaikan infrastruktur  di  berbagai  daerah  Indonesia memicu kebutuhan semen semakin meningkat.  Hal  ini  menjadikan  industri
semen sebagai elemen krusial dalam upaya pembangunan infrastruktur dan memperkuat perekonomian indonesia. [1]
Total  penjualan  semen  di  Indonesia mengalami  peningkatan  setiap  tahun  dari 2016  hingga  2018.  Namun,  pada  tahun 2019, munculnya pandemi Covid-19 menyebabkan  dampak  negatif  terhadap permintaan  pasar  yang  mengakibatkan
penurunan  penjualan  semen  hingga  52% dari  8 juta ton pada Oktober 2019 menjadi 3,8  juta  ton  pada  Mei  2020.  Meskipun demikian,  situasi  mulai  membaik  dan penjualan semen kembali meningkat sebesar 5,9% pada tahun 2021 dan 7,6% pada tahun 2022. [6].
PT  Indocement  Tunggal  Prakarsa Tbk.  sebagai  salah  satu  perusahaan  semen terkemuka di Indonesia memiliki komitmen untuk terus meningkatkan efisiensi produksi demi  memenuhi  tuntutan  pasar  yang semakin  kompetitif.  Salah  satu  aspek penting dalam proses produksi semen adalah pengeringan bahan baku. Dalam konteks ini, penggunaan  mesin rotary  dryer menjadi penting sebagai  solusi  untuk  meningkatkan efisiensi pengeringan bahan baku.
Prinsip  kerja  mesin rotary  dryer adalah  menggunakan  panas  yang  dialirkan secara  langsung  ke  dalam  tabung  yang berputar  dengan  bahan  baku  yang  akan dikeringkan. Sumber panas yang digunakan berasal  dari  api  gas  LPG.  Proses  ini berlangsung  secara  terus-menerus  hingga bahan baku kering.
Mesin rotary  dryer merupakan mesin  yang  relatif  sederhana  dan  mudah digunakan. [5]. Namun, mesin rotary dryer yang  digunakan  saat  ini  masih  memiliki kelemahan  dalam  efisiensi  pengeringan seperti  masih  terdapat  sebagian  batu  kapur yang belum kering sepenuhnya. Oleh karena itu,  perlu  dilakukan  penelitian  untuk meningkatkan efisiensi dan kualitas pengeringan  batu  kapur  pada  mesin rotary dryer .
Kajian  ini,  penulis  akan  melakukan perancangan  mesin rotary  dryer dan simulasi Computational  Fluid  Dynamics (CFD)  pada  tabung  mesin rotary  dryer untuk  mendapatkan  material  yang  paling baik dalam penyebaran panas.

## Metode Penelitian
Metode  yang  digunakan  dalam penelitian  ini  yaitu  metode  pemodelan menggunakan software  SolidWorks 2022 dan  simulasi  menggunakan software  Ansys 2023.

## Pemilihan Material Tabung
a. Aluminium Alloy 6061 Aluminium alloy 6061  merupakan salah  satu  paduan  aluminium  yang  paling umum  digunakan  dan  dikenal  karena kombinasi kekuatan, kemampuan fabrikasi, dan  ketahanan  korosiya.  Aluminium alloy 6061 termasuk dalam seri aluminium 6xxx, yang merupakan paduan aluminium- magnesium-silikon.  Komposisi  kimia  dari material  ini  adalah  Aluminium  (Al) seimbang;  Magnesium  (Mg)  0,8-1,2%; Silikon (Si) 0,4-0,8%; Tembaga (Cu) 0,15- 0,4%;  Besi  (Fe)  maksimal  0,15%;  Mangan (Mn) maksimal 0,15%; Kromium (Cr) 0,04- 0,35%;  Zinc  (Zn)  maksimum  0,25%; Titanium  (Ti)  maksimum  0,15%;  dan  sisa elemen  lainnya  masing-masing  maksimum 0,05% total maksimum 0,15%.
Tabel 1. Sifat mekanik Aluminium Alloy 6061 Parameter Keterangan Density 2700 kg/m 3 Yield Strength 276 MPa Elongation at Break 12-17% Ultimate Tensile Strength 310 MPa Modulus of Elasticity 68,9 GPa Poisson’s Ratio 0,33
b. Stainless Steel 316
Stainless steel 316 merupakan salah satu  jenis stainless  steel yang  populer  dan sering  digunakan  dalam  berbagai  aplikasi industri  dan  konsumen.  Komposisi  kimia dari  material  ini  adalah  Karbon  (C) maksimal  0,07%;  Mangan  (Mn)  maksimal 2%;  Silikon  (Si)  maksimal  1%;  Kromium (Cr) 16-18%; Nikel (Ni) 10-14%;
Molibdenum  (Mo)  2-3%;  Fosfor  (P) maksimal  0,045%;  Sulfur  (S)  maksimal 0,03%.
Tabel 2. Sifat mekanik Stainless Steel 316 Parameter Keterangan Density 7969 kg/m 3 Yield Strength 250 MPa Elongation at Break 55% Ultimate Tensile Strength 565 MPa Modulus of Elasticity 193 GPa Poisson’s Ratio 0,25
c. Mild Steel SS400
Mild steel SS400 merupakan lembaran baja yang terbuat dari baja karbon yang  diproduksi  dalam  proses  canai  panas ( hot rolled ). Komposisi kimia dari material ini adalah Karbon (C) 0,1986%; Silikon (Si) 0.149%;  Mangan  (Mn)  0,298%;  Fosfor  (P) 0,0127%; dan Sulfur (S) 0,0045%.
Tabel 3. Sifat mekanik Mild Steel SS400 Parameter Keterangan Density 7860 kg/m 3 Yield Strength 245 MPa Elongation at Break 27-30% Ultimate Tensile Strength 400-510 MPa Modulus of Elasticity 190-210 GPa Poisson’s Ratio 0,26

## Variabel Penelitian
Variabel  yang  digunakan  pada kajian  ini  adalah total  temperature pada pengujian CFD dalam software Ansys 2023 untuk mengetahui penyebaran suhu di dalam tabung.

## Prosedur Penelitian
Kajian ini dilakukan dalam beberapa tahapan, yaitu:
1. Simplifikasi Pemodelan
Untuk  mencapai  hasil  analisis  yang akurat  dan  mengurangi  tingkat  kegagalan ketika dilakukan simulasi, geometry rangka mesin rotary  dryer perlu  dilakukan simplifikasi  pemodelan  pada  simulasi. Simplifikasi  pemodelan  yang  dilakukan adalah dengan menghilangkan edges , fillet , dan  lubang  yang  tidak  esensial  terhadap pembebanan.
2. Meshing
Meshing memiliki  tujuan  untuk memecah geometri menjadi elemen-elemen kecil  yang  digunakan  untuk  melakukan perhitungan pada parameter yang diterapkan.  Semakin  banyak  elemen mesh yang  digunakan,  semakin  akurat  hasilnya dan semakin mendekati kondisi aslinya.
3. Hasil
Hasil  dari  simulasi  ini  berupa tingkatan  suhu  pada  tabung  dengan penyebaran  suhu  yang  ditunjukkan  oleh warna merah, kuning, hijau, dan biru.

## Persamaan Matematis
a. Luas Penampang pada Tabung (A) A = π × r 2 × + 2 × π × r × t (1)
Keterangan:
A = Luas penampang tabung (m 2 )
r = Jari-jari tabung (m)
t = Tinggi tabung (m) b. Kecepatan Tabung (V)
V = π × d × n : 60 × 1000
(2) Keterangan: V = Kecepatan tabung (m/s)
d = Diameter tabung (m)
n = Putaran tabung yang diinginkan (rpm)
c. Kapasitas Tabung (Q)
Q = V × A × ρ (3) Keterangan: Q = Kapasitas tabung (kg/jam) V = Kecepatan tabung (m/s)
ρ = Mass jenis bahan (kg/m 3 )
d. Torsi (T) T = r × F × sin ϴ (4) Keterangan: T = Torsi (Nm) r = Jari-jari tabung (m)
F = Gaya yang diberikan (N)
sin ϴ = Kemiringan sudut mesin rotary dryer
e. Daya Rencana (P d )
P d = f c × P (5)
Keterangan:
P d = Daya rencana (kW) f c = Faktor koreksi daya yang ditransmisikan 1,2 – 2,0 = Daya rata-rata yang diperlukan
0,8 – 1,2 = Daya maksimum yang diperlukan
1,0 – 1,5 = Daya yang ditransmisikan
P = Daya (kW)
f. Efisiensi Pengeringan
E = ( 𝑏𝑒𝑟𝑎𝑡 𝑎𝑖𝑟 𝑎𝑤𝑎𝑙−𝑏𝑒𝑟𝑎𝑡 𝑎𝑖𝑟 𝑎𝑘ℎ𝑖𝑟 𝑏𝑒𝑟𝑎𝑡 𝑎𝑖𝑟 𝑎𝑤𝑎𝑙 ) ×100%

## Hasil dan Pembahasan
Gambar 1. Desain mesin rotary dryer
Desain mesin rotary dryer memiliki dimensi panjang 3100 mm, lebar 1000 mm, tinggi  620  mm  dengan  tabung  berdiameter 750  mm  dan  panjang  2400  mm.  Mesin rotary  dryer menggunakan  daya  motor listrik  15  HP  untuk  menggerakkan  tabung pada  saat  proses  pengeringan.  Kapasitas tabung sebesar 300 kg/jam dengan kecepatan  15  rpm.  Desain  mesin rotary dryer ini  menggunakan  tipe  kontinu  Pada tipe  ini  terdapat inlet dan outlet yang terpisah  yang memungkinkan bahan masuk dan  keluar  tabung  tanpa  menghentikan mesin.
Gambar 2. Desain exploded view mesin rotary dryer
Keterangan:
1. Rangka tabung
2. Rangka burner
3. Motor listrik dan gearbox 7. Cover burner 8. Outlet
9. Gear set
10. Tabung
4. Gas LPG 5. Blower 6. Burner 11. Inlet 12. Penyangga 13. Wheel support Luas Penampang pada Tabung (A) Diasumsikan bentuk penampang menyerupai  tabung  dengan  diameter  750 mm = 75 cm, maka r 2 = 0,375 2 m dan tinggi tabung  2400  mm  =  2,4  m.  Jadi  luas penampangnya adalah:
A = π × r 2 × + 2 × π × r × t = 3,14 × 0,375 2 + 2 × 3,14 × 0,375 × 2,4 = 6, 09356 m 2

## Kecepatan Tabung (V)
Diameter  tabung  yang  direncanakan  750 mm  =  0,75  mm  dengan  menggunakan putaran  yang  diinginkan  sebesar  15  rpm, maka:
V = 𝜋 × 𝑑 × 𝑛 60 × 1000
= 3,14 × 0,75 × 15
60 × 1000
= 0,00058875 m/detik

## Kapasitas Tabung (Q)
Q = V × A × ρ = 0,00058875 × 6,09356 × 2700 = 9,7 kg/menit = 582 kg/jam

## Torsi (T)
Diketahui: Kapasitas  batu  kapur  yang  direncanakan masuk ke dalam tabung (m) = 450 kg g = 9,8 m/s 2 r = 0,375 m sin 3° = 0,0523 Gaya yang diberikan: F = m × g = 450 × 9,8 = 4410 N Torsi yang dibutuhkan: T = r × F × sin ϴ = 0,375 × 4410 × sin 3° = 0,375 × 4410 × 0,0523 = 86,49 Nm
Daya Rencana (P d )
Diketahui: n  =  1400  rpm  sehingga  daya  efektif  dapat dihitung dengan persamaan berikut:
N e = 2 × 𝜋 × 𝑛 × 𝑇 60 = 2 × 3,14 × 1400 × 86,49
60 = 12673,67 1000
= 12,67  𝑘𝑊 0,746 = 16,98 kW
Daya  efektif  (Ne/P)  merupakan  nilai  rata- rata  dari  daya  yang  diperlukan.  Dalam perancangan suatu alat atau mesin, diperlukan  beberapa  pertimbangan  seperti kerugian  yang  timbul  termasuk  kerugian akibat gesekan. Oleh karena itu, daya efektif harus dikalikan dengan faktor koreksi. P d = f c × P = 1,2 × 12,67 = 15,2 kW = 20,3 HP

## Hasil Simulasi CFD
Gambar 3. Total temperature pada tabung dengan material Aluminium Alloy 6061
Gambar 4. Total temperature pada tabung dengan material Stainless Steel 316
Gambar 5. Total Temperature pada tabung dengan material Mild Steel SS400
Dari  hasil  pengujian  CFD,  tabung dengan material Aluminium Alloy 6061 dan Stainless  Steel 316  hampir  sama  merata penyebaran panasnya dari sisi outlet dengan warna merah pekat hingga sisi inlet tabung yang  mempunyai  warna  sedikit  hijau  dan biru.  Namun  jika  dilihat  dengan  saksama lagi,  tabung  dengan  material  Aluminium Alloy 6061  memiliki  warna  biru  pada  sisi inlet yang cenderung lebih sedikit dibandingkan  tabung  dengan  material Stainless  Steel 316  yang  memiliki  warna biru lebih banyak. Tabung dengan material Mild Steel SS400 merupakan material yang paling  tidak  merata  penyebaran  panasnya dilihat  dari  warna  hijau  yang  lebih  banyak dari  sisi  tengah  hingga  sisi inlet tabung.
Efisiensi  pengeringan  yang  didapat  dilihat dari  penyebaran  panas  pada  hasil  simulasi CFD ( total temperature ) material Aluminium Alloy 6061  sebesar  74%,
Stainless  Steel 316  71%,  dan Mild  Steel SS400 57%.

## Kesimpulan
Berdasarkan  hasil  simulasi  CFD pada tabung mesin rotary dryer , penyebaran panas  paling  baik  juga  didapatkan  pada material  Aluminium Alloy 6061  ditandai dengan  warna  merah  yang  lebih  dominan dibandingkan  dua  material  lainnya  dengan efisiensi pengeringan dilihat dari penyebaran panasnya sebesar 74%.

## Referensi
[1] Maharani, D. A., Fatimah, I. S., Anjani, L. A.,  & Kurniati, R. (2022). Faktor- faktor  yang  Berpengaruh  Terhadap Profitibilitas  Perusahaan  Manufaktur
Sektor  Semen.  Mendikonis:  Jurnal Media Komunikasi dan Bisnis, 70-76.
[2] Dagri, L. O. (2018). Perancangan Mesin Pengering Sagu Rotary Dryer dengan Metode Quality Function Deployment (Sebagai Bagian dari Rekayasa Proses Bisnis) . Universitas  Islam  Indonesia Yogyakarta.
[3] Engineering, I. M. (1994). Handbook of Industrial (Vol 1).
[4]  ESCOBEDO,  J.  L.,  RIVERA,  A.  O., VALDIVIA,  C.  H.,  RUIZ,  M.  A.,  & ORENDAY, O.
D. (2018). Computational Fluid Dynamics Analysis  for  Improving  Temperature
Distribution in A Chili Dryer . Thermal Science , 2615-2623.
[5]  Iwan.  (2017).  Rancang  Bangun  Mesin Rotary Padi . Jember: Digital Repository Universitas Jember.
[6]  Armi,  N.,  Syahnur,  S.,  &  Silvia,  V. (2022). Tingkat Kompetisi Perusahaan  Semen  di  Indonesia Berbasis Struktur Pasar. Jurnal Ilmiah
Mahasiswa  Ekonomi  Pembangunan (JIM  EKP)  Fakultas  Ekonomi  dan Bisnis  Universitas  Syiah  Kuala,  221-
234.
[7]  Kim,  S.  L.,  &  Choi,  Y.  (2018). Development  of  a  Three-dimensional Numerical Model for a Rotary Dryer. Journal  of  Mechanical  Science  and Technology , 32(6), 2801-2810.
[8] Nurhilal, M., Girawan, B. A., & Aji, G. M.  (2018).  Rancang  Bangun  Mesin Pengering  Pellet  Ikan  Tipe Rotary Dryer Untuk Kelompok Usaha Petani (Upet) Kabupaten Cilacap. J-
Dinamika: Jurnal Pengabdian
Masyarakat 3, No. 1, 25-30.
[9]  Rindang,  Panggabean,  &  Wulandari. (2019). CFD Analysis of Temperature
Drying Chamber at Rotary Dryer with
Combined Energy . Journal of Physics: Conference Series .
[10]  Taufiqurrahman,  M.,  Raharjo,  A.,  & Hakim,  A.  F.  (2023).  Analisis Mekanik  dan  Termal  Piston  Mesin Pembakaran  Dalam  menggunakan Software Ansys 2023.  Jurnal  Teknik Mesin, Industri, Elektro Dan Informatika (JTMEI), 143-154.
[11] Tumbel, N., Pojoh, B., & Manurung, S.
(2016).  Rekayasa  Alat  Pengering
Jagung Sistem Rotary . Jurnal Penelitian Teknologi Industri 8, No. 2 , 107-116.
[12] Yi, M. L., Yao, Y. Y., & Zhao, H. X. (2017). Numerical  Analysis  of  Solid Materials  Transport  in  a  Rotary Dryer . Advances  in  Engineering
Research (AER) , 403-408.
[13] Zhang, R., & Long, J. (2017). Study on Drying  Uniformity  of  Static  Small- Sized  Drying  Box  for  Fruits  and Vegetables . Procedia  Engineering
205 , 2615–22.