Utomo, dkk./ ROTASI, Vol. 20  No. 4  (Oktober 2018) Hal. 237-243
Analisis Distribusi Temperatur dan Aliran Fluida pada Proses Pengeringan Butiran Teh Bentuk Silinder Di Dalam Fluidized Bed Dryer Menggunakan Computational Fluid Dynamic (CFD)
MSK Tony Suryo Utomo a, *, Eflita Yohana a , Mauli Astuti Khoiriyah b
a Dosen Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro
b Mahasiswa Program Studi S1, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Jl. Prof. Sudharto, SH., Tembalang-Semarang 50275, Telp. +62247460059
*E-mail: mauliast96@gmail.com

## Abstract
Drying  is  simultaneously  heat  and  vapor  transfer  process  that  needed  heat  energy  to  evaporate  the moisture from the object that needed to be dried. d. This research is done by simulation. The product chosen for this simulation is tea. A numerical simulation of mass transfer in tea is done by placing the tea material in the domain computation of an external flow. This study aims to analyze the temperature distribution  of  tea  particles  using  Computational  Fluid  Dynamics  (CFD)  and  analyze  the  effect  of variations inlet speed and inlet temperature on drying time so that the optimum drying method for tea drying  is obtained. The decrease of mass in  tea  was calculated analytically using  the mass loss  rate equation. Tea is modeled in a shape like a cylinder after it has been whitered. The airflow inlet velocity and inlet temperature  are varied according to the minimum and maximum fluidization and based on the drying temperature of tea for fluidized bed dryer. The time used to decrease the  moisture content up  to  3%  based  on  temperature  at  velocity  1,6  m/s  is  354  s  (88 0 C),  300  s  (93 0 C),  and 256 s  (98 0 C) respectively. While at 2,6 m/s of velocity inlet the required time is 277 s (88 0 C), 234 s (93 0 C), and 200 s (98 0 C) and for 3,6 m/s velocity inlet is 235 s (88 0 C), 199 s (93 0 C), and 169 s (98 0 C) respectively. For optimal drying of tea is done by increasing the inlet speed of fluid flow compared with increasing the temperature.
Keywords : Decrease of mass, flow velocity, drying temperature, moisture content, drying time.

## Abstrak
Pengeringan  merupakan  proses  perpindahan  panas  dan  uap  air  secara  simultan  yang  memerlukan energi  panas  untuk  menguapkan  kandungan  air  dari  bahan  yang  akan  dikeringkan.  Penelitian  ini dilakukan  dengan  cara  simulasi.  Produk  yang  dipilih  untuk  simulasi  ini  yaitu  teh.  Simulasi  numerik perpindahan  massa  pada  teh  dilakukan  dengan  menempatkan  material  teh  pada  domain  komputasi sebuah aliran eksternal. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis distribusi temperatur pada partikel teh  dengan  menggunakan Computational  Fluid  Dynamics (CFD)  dan  menganalisis  pengaruh  variasi kecepatan inlet  dan  temperatur inlet  terhadap  waktu  pengeringan  sehingga  diperoleh  metode pengeringan  yang  paling  optimum  pada  pengeringan  teh.  Penurunan  massa  pada  teh  dihitung  secara analitik  dengan  menggunakan  persamaan  laju  penurunan  massa.  Teh  dimodelkan  dengan  bentuk menyerupai silinder setelah dilakukan pelayuan untuk kemudian dikeringkan. Kecepatan masuk aliran udara  dan  temperatur  masuk  divariasikan  sesuai  dengan  batas  kecepatan  minimum  dan  maksimum fluidisasi  dan  temperatur  pengeringan  teh  untuk  fluidized  bed  dryer.  Waktu  yang  digunakan  untuk menurunkan  kadar  air  hingga  3%  berdasarkan  temperatur  pada  kecepatan  1,6  m/s  secara  berurutan adalah  354  s  (88 0 C),  300  s  (93 0 C),  dan  256  s  (98 0 C).  Sementara  pada  kecepatan  2,6  m/s  waktu  yag dibutuhkan adalah 277 s (88 0 C), 234 s (93 0 C), dan 200 s (98 0 C) serta untuk kecepatan 3,6 m/s berturut- turut  235  s  (88 0 C),  199  s  (93 0 C),  dan  169  s  (98 0 C).  Untuk  pengeringan  teh  lebih  optimal  dilakukan dengan menaikkan kececepatan masuk aliran fluida dibandingkan dengan menaikkan temperatur.
Kata kunci: Kadar air, kecepatan aliran masuk, penurunan massa, temperatur pengeringan, waktu pengeringan.

## 1. Pendahuluan
Saat  ini  Indonesia  menduduki  peringkat  ke-14  negara  eksportir  teh  dunia  dengan  pangsa  pasar  1,38%  dari  total ekspor teh dunia. Tiap tahun, Indonesia mengekspor sekitar 50.000 ton hingga 70.000 ton teh ke seluruh dunia. Di pasar ekspor,  Indonesia  memiliki  teh  berkualitas  baik  dan  aroma  khas  yang  disukai  oleh  masyarakat  global.  Hal  tersebut membuat ekspor teh Indonesia masih dapat terus dikembangkan. Permasalahan yang dihadapi per-teh-an nasional salah satunya ialah mutu teh rakyat yang masih rendah dan belum memenuhi SNI ( kadar serat, kadar air dan kadar abu tak
Mulai
Studi L iteratur Pem buatan  geometri teh menggunakan Ans ys Meshing pada  Ansys
Pem asukan Kondis i  Batas pada  Ansys F luent Berdasarkan Studi L iteratur Analisis dan  Pembahas an Kesim pulan Selesai Perhitungan  Laju  Perpindahan  Mass a Ya Tidak Running  Simulation pada  Ansys F luent Konvergensi Energi   10 -6 , Kontinuitas   10 -3 Cek  Kondisi Batas (T, V Inlet ) Cek Meshing Tidak Tidak Ya Ya
larut  asam  yang  tinggi)  akibat  terbatasnya  penguasaan  teknologi  pengolahan  produk  dan  belum  mampunya  petani mengikuti  teknologi  anjuran  sebagaimana  yang  direkomendasikan  ( Good  Agriculture  Practice/GAP;  Good Manufacture Process/GMP ); standar kualitas produk (ISO), serta mesin dan peralatan yang kurang mendukung [1]. Di  negara  kita  penggunaan  mesin  pengering  masih  terbatas  pada  industri  menengah  dan  industri  besar  sedangkan untuk  industri  kecil  proses  pengeringan  masih  dilakukan  dengan  sistem  penjemuran  dengan  memanfaatkan  panas matahari.  Proses pengeringan  secara  mekanis  mempunyai  banyak keunggulan dibandingkan dengan  cara pengeringan tradisional,  antara  lain  dalam  hal  volume  bahan  yang  dikeringkan,  keseragaman  hasil,  mutu,  baik  ditinjau  dari  segi keberhasilan, kemurnian, dan kebersihannya.
Keuntungan  dari  pengeringan  itu  sendiri  adalah  dapat  meningkatkan  stabilitas  penyimpanan.  Hal  ini  dikarenakan terjadinya pengurangan  berat dan  volume produk akibat dari pengurangan kandungan air.  Keuntungan  lainnya adalah pengemasan  menjadi  lebih  mudah  serta  biaya  untuk  pengemasan,  penyimpanan,  dan  pengangkutan  menjadi  lebih murah. Selain itu proses pengeringan juga mempunyai kelemahan yaitu kualitas dan nilai nutrisi dalam pangan menjadi rusak [2].
Pengeringan hamparan terfluidasi ( fluidized bed drying ) adalah salah satu proses pengeringan dengan memanfaatkan aliran  udara  panas  dengan  kecepatan  tertentu  yang  dilewatkan  menembus  hamparan  bahan  sehingga  hamparan  bahan tersebut memiliki sifat seperti fluida. Jenis pengeringan menggunakan FBD ini umum dipakai di Indonesia dimana suhu masuk  (inlet)  yang  disarankan  tidak  boleh  terlalu  rendah  maupun  terlalu  tinggi,  optimal  85-100  °C,  dan  suhu  keluar (outlet) 75-80°C [3].
Pada  penelitian  ini fluidized  bed  dryer akan  digunakan  untuk  mengeringkan  teh  dimana  teh  dimodelkan  secara partikel  dan  digulung  menyerupai  silinder  kemudian  disimulasikan  menggunakan software CFD.  Penggunaan  CFD pada  penelitian  ini  dipilih  karena  memiliki  beberapa  keuntungan  salah  satunya  yaitu  dapat  menunjukkan  distribusi aliran,  penurunan  massa,  dan  perpindahan  panas  secara  jelas.  Keuntungan  lain  yang  dapat  diperoleh  yaitu  sangat memungkinkan  untuk  menganalisa  parameter  masukan  pada  pengeringan  yang  sesuai  dengan  waktu  dan  biaya  yang lebih minim.
2. Bahan dan Metode Penelitian
2.1. Diagram Alir Penelitian
Gambar 1. Diagram Alir Penelitian

## 2.2. Simulasi Pengeringan Butiran Teh
Pada  penelitian  ini  diambil  satu  sampel  partikel  teh  untuk  disimulasikan.  Satu  partikel  bahan  makanan  dapat disimulasikan untuk mewakili keseluruhan partikel bahan makanan yang dikeringkan. Oleh karena itu pada penelitian ini diambil satu sampel partikel teh yang dikeringkan [4]
Simulasi dilakukan dengan proses pembentukan geometri teh dan domain komputasi simulasi. Pemodelan geometri dibuat dengan bentuk silinder dengan diameter 1 cm dan panjang 2 cm dimana bentuk ini merupakan salah satu jenis pembentukan teh sebelum dikeringkan. Geometri teh ditunjukkan seperti pada Gambar 2.
Gambar 2. Pemodelan Geometri Simulasi.
Untuk material teh yang digunakan pada simulasi dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Sifat Material Teh [5].
No. Sifat Nilai 1. Panas Spesifik 1,59-1,66 kJ / kg. K 2. Konduktivitas Termal 0,0362-0,0486 W / m· K 3. Densitas 433 kg/m 3 4. Sphericity 0,83
Untuk  melakukan  simulasi,  terlebih  dahulu  ditentukan  kecepatan  minimum  fluidisasi.  pada fluidized  bed  dryer diperlukan kecepatan  minimum dan kecepatan  maksimum  fluidisasi untuk  menentukan titik awal terjadinya  fluidisasi dan  menghindari  material  yang  dikeringkan  keluar  dari fluidized  bed  dryer .  Kecepatan  minimum  dan  maksimum fluidisasi dapat dihitung denggan persamaan 1 [6]:
2 3 ( ) [ ( )] 150 1 p mf mf mf d U g c g         
(1)
Gravitation Term
( ) g c g     
Porositas Minimum Fluidisasi
0,21 2 0,72 0,029 3 0, 586 ( ) g mf
g p c d    
     
    
Kecepatan maksimum fluidisasi dapat dihitung dengan persamaan :
1 2 2 3 1, 78.10 t p g U d              (2)
Sebelum dilakukan running simulation penentuan kondisi batas pada simulasi pengeringan teh dapat dilihat pada Table 2.

## Tabel 2. Kondisi batas simulasi pengeringan teh
No. Parameter Nilai 1. Domain Komputasi 15 x 15  x 50 cm 2. Pengaturan General - Transient - Gravity 3. Model Aliran - Laminar - Energy Equation - Species Transport 5 Kondisi Batas - Inlet    : Velocity Inlet - Outlet : Pressure outlet 6 Monitor Kriteria Konvergensi - Continuity : 10 -3 - Energy : 10 -6

## 2.3 Perhitungan Penurunan Massa

## 2.3.1   Koeffisien Difusi Massa
Salah  satu  pasangan  zat  yang  paling  banyak  aplikasinya  adalah  uap  air  dan  udara.  Secara  khusus  persamaan koefisien  difusi  massa  pasangan  ini  telah  dirumuskan  oleh  Marrero  dan  Mason  (1972).  Persamaan  ini  hanya  berlaku untuk interval suhu 280K<T< 450K dan dapat dituliskan sebagai berikut [7] :
2,072 10 1,87.10 air udara T D
P   
(3)
dimana D air- udara merupakan  koeffisien  difusi  massa  air  pada  udara  dan  sebaliknya  (m 2 /s), T temperatur  (K),  dan P adalah tekanan (atm).

## 2.3.2   Perpindahan Massa Konveksi
a.  Koeffisien Perpindahan Massa
Koeffisien  perpindahan  massa  dapat  dirumuskan  dengan  menggunakan  bilangan  Sherwood.  Bilangan    Sherwood merupakan    bilangan    tak    berdimensi    yang    digunakan  untuk    mengetahui    perpindahan    massa.    Jika    untuk perpindahan  kalor  digunakan bilangan  Nusselt,  maka  untuk  perpindahan  massa  digunakan  bilangan  Sherwood dengan  membedakan  bilangan  Prandtl  pada  bilangan  Nusselt  dengan  bilangan Schmidt [7].
m
AB h L Sh D  (4)
di mana Sh merupakan Bilangan Sherwood dan D AB merupakan difusivitas massa (m 2 /det)
b.  Bilangan Schmidt
Bilangan  schmidt  adalah  sebuah  bilangan  tak-berdimensi  yang  didefinisikan  sebagai  rasio  difusifitas  momentum (viskositas)  terhadap  difusifitas  massa  diffusivity.  Bilangan  ini  digunakan  untuk  menentukan  sifat  aliran-aliran  fluida yang mana pada aliran tersebut proses koveksi-difusi momentum dan massa berlangsung simultan.
AB Sc D  
(5)
c.  Koeffiseien Perpindahan Massa [7]
Dengan  menggunakan  Analogi  Chilton  Colburn,  koeffiseien  perpindahan  massa  dapat  ditulis  dengan  persamaan berikut :
2 3 m p AB h h c D       
  (6)
d.  Tinjauan Perpindahan Massa
Perpindahan  massa  dapat  dihitung  menggunakan  analogi  perpindahan  panas.  Perpindahan  massa  dirumuskan dengan:
( ) eva m s m h A     
(7)
di  mana s  merupakan  massa  jenis  pada  permukaan  benda  (kg/m 3 )  dan   merupakan  massa  jenis  fluida  yang mengalir (kg/m 3 )

## 3. Hasil dan Pembahasan
Pada  penelitian  ini  dilakukanl  variasi  3  kecepatan inlet yang  berbeda  yaitu  1,6  m/s,  2,6  m/s,  dan  3,6  m/s  dimana kecepatan tersebut berada diantara kecepatan minimum (0,22 m/s) dan maksimum fluidisasi (24,42 m/s). Selain itu pada simulasi  ini  juga dilakukan  variasi temperatur inlet yaitu 88 0 C, 93 0 C, dan 98 0 C. Pada penelitian  ini kemudian diamati perubahan  temperature  permukaan  teh  yang  nantinya  digunakan  untuk  menghitung  laju  penurunan  massa  pada  teh. Selain itu kontur distribusi temperatur bagian dalam teh juga diamati sebagai akibat adanya difusi pada teh.

## 3.3 Kontur Distribusi Temperatur pada Teh
Kontur  temperatur  yang  ditampilkan  adalah  kondisi  teh  pada  awal  pengeringan  (30  detik  awal),  dan  kondisi  teh diakhir proses pengeringan (235 detik). Hasil simulasi berupa distribusi temperatur dilihat pada bagian tengah domain komputasi  yaitu  pada  bidang  XY.  Distribusi  temperatur  permukaan  teh  pada  awal  pengeringan  dapat  dilihat  pada Gambar 3.
(a)
(b) (c)
Gambar 3. Distribusi Temperatur Awal Pengeringan. (a) Kecepatan inlet 1,6 m/s dan temperatur inlet 88 0 C, (b) Kecepatan inlet 2,6 m/s dan temperatur inlet 88 0 C, (c) Kecepatan inlet 3,6 m/s dan temperatur inlet 88 0 C
Gambar  3  menunjukkan  bahwa  variasi  kecepatan inlet menyebabkan perbedaan  luasan  daerah  temperatur  rendah pada bagian belakang teh atau sisi yang menghadap outlet . Semakin tinggi kecepatan inlet maka luas daerah temperatur rendah akan semakin kecil. Temperatur pada akhir pengeringan juga dapat dilihat pada Gambar 4.
(a) (b)                                                     (c) Gambar 4. Distribusi Temperatur Akhir Pengeringan. (a) Kecepatan inlet 1,6 m/s dan temperatur inlet 88 0 C, (b) Kecepatan inlet 2,6 m/s dan temperatur inlet 88 0 C, (c) Kecepatan inlet 3,6 m/s dan temperatur inlet 88 0 C
Pada Gambar 4 dapat dilihat bahwa adanya variasi kecepatan inlet pada pengeringan menyebabkan daerah dengan distribusi temperatur yang berbeda untuk setiap kecepatan. Semakin tinggi kecepatan inlet maka semakin sempit daerah dengan  temperatur  rendah  pada  bagian  dalam  the.  Pada  kecepatan  rendah  penyerapan  energi  panas  terjadi  dengan lambat dan waktu yang dibutuhkan untuk penyerapan lebih lama.

## 3.2 Distribusi Temperatur pada Teh
Distribusi  temperatur  kemudian  diplot  kedalam  sebuah  grafik  temperatur  pada  sumbu-y  dan  waktu  pengeringan pada sumbu-x. Grafik kenaikan temperatur pada permukaan teh dapat dilihat pada Gambar 5.
Pada  Gambar  5  dapat  dilihat  bahwa  kenaikan  temperatur  terjadi  sangat  cepat  pada  awal  pengeringan  baik  pada kecepatan inlet 1,6 m/s, 2,6 m/s, maupun  3,6 m/s disemua variasi temperatur inlet. Pada awal  pengeringan yaitu pada
detik ke 30  temperatur pada permukaan teh terus mengalami kenaikan secara signifikan. Setelah  mengalami  kenaikan yang signifikan, temperatur akan konstan mendekati temperatur inlet yaitu 88 0 C, 93 0 C, dan 98 0 C.
(a) Temperatur Inlet 88 0 C
(b) Temperatur Inlet 93 0 C
(c) Temperatur Inlet 98 0 C
Gambar 5. Grafik Kenaikan Temperatur

## 3.3 Grafik Penurunan Massa
Penurunan  massa  dapat  dihitung  dengan  menggunakan  persamaan  perpindahan  panas  dan  analogi  perpindahan massa  pada  persamaan  (3)  sampai  (7).  Berdasarkan  temperatur  rata-rata  pada  permukaan  teh  dan  data tambahan  dari tabel sifat termofisik gas pada tekanan atmosfir maupun sifat udara pada temperatur saturasi dapat dihutung penurunan massa.  Penurunan  massa  teh  dihitung  setiap  30  detik  pengeringan  dan  kemudian  diplot  grafik  penurunan  massa terhadap waktu pengeringan. Grafik penurunan massa pada the dapat dilihat pada Gambar 6.
Pada Gambar 6 dapat dilihat grafik penurunan massa pada temperatur dan kecepatan inlet yang berbeda. Pada grafik tersebut  terlihat  perbedaan  waktu  pengeringan  untuk  masing-masing  variasi  temperatur  dan  kecepatan inlet .  Pada awalnya teh memiliki kadar air sekitar 70% dan berat teh basah 0,68 gr. Setelah dilakukan pengeringan berat teh akan berkurang dikarenakan adanya penguapan air dimana kadar air teh  yang  baik  yaitu  mencapai 3%. Kadar  air pada teh harus dikurangi sebesar 67% agar kualitas teh tetap baik.
Untuk mencapai kandungan air didalam teh 3% atau berat teh kering sekitar 0,22 gr diperlukan waktu pengeringan yang berbeda untuk setiap temperatur dan kecepatan inlet . Pada Gambar 6 dapat dilihat bahwa pengeringan paling cepat terjadi pada kondisi kecepatan dan temperatur tinggi. Pada temperatur 98 0 C dan kecepatan inlet 3,6 m/s diperoleh waktu pengeringan yang paling cepat yaitu 169 detik atau sekitar 2,82 menit. Sedangkan waktu pengeringan yang paling lama yaitu  354  detik  atau  sekitar  5,9  menit  pada  temperatur  88 0 C  dan  kecepatan inlet 1,6  m/s.  Waktu  pengeringan  untuk masing-masing temperatur dan kecepatan inlet dapat dilihat pada Tabel 3.
Gambar 6. Penurunan Massa Pada Teh
Tabel 3. Perbandingan Waktu Pengeringan Butiran Teh
No. Temperatur Inlet Kecepatan Inlet Waktu Pengeringan 1 88 0 C 1,6 m/s 354 detik 2,6 m/s 277 detik 3,6 m/s 235 detik 2 93 0 C 1,6 m/s 300 detik 2,6 m/s 234 detik 3,6 m/s 199 detik 3 98 0 C 1,6 m/s 256 detik 2,6 m/s 200 detik 3,6 m/s 169 detik
Dari Tabel 3 dapat dilihat bahwa semakin tinggi kecepatan dan temperatur inlet maka akan semakin singkat waktu pengeringan  yang  dibutuhkan.  Untuk  meningkatkan  kecepatan  pengeringan  dapat  dilakukan  dengan  menaikkan kecepatan inlet dibandngkan  dengan  menaikkan  temperatur inlet .  Hal  ini  dapat  dilihat  pada  tabel  bahwa  waktu pengeringan  pada  kecepatan inlet 3,6  m/s  dan  temperatur inlet 88 0 C  masih  lebih  cepat  yaitu  sebesar  235  detik dibandingan dengan waktu pengeringan pada temperatur inlet 98 0 C dan kecepatan inlet 1,6 m/s yaitu 256 detik.

## 4. Kesimpulan
Kesimpulan  yang  dapat  diambil  dari  penelitian  ini  yaitu  terjadi  distribusi  temperatur  pada  material  teh  dimana temperatur yang cukup tinggi terjadi pada bagian depan atau sisi  yang  menghadap inlet sedangkan temperatur rendah terjadi pada bagian belakang atau sisi  yang menghadap outlet . Untuk pengeringan paling cepat terjadi pada kecepatan inlet 3,6 m/s dan temperatur inlet 98 0 C yaitu sebesar 169 detik atau sekitar 2,82 menit. Sedangkan pengeringan paling lambat  terjadi  pada  kecepatan inlet 1,6  m/s  dan  temperatur inlet 88 0 C  yaitu  sebesar  354  detik  atau  sekitar  5,9  menit. Selain  itu  semakin  tinggi  kecepatan  dan  temperatur inlet maka  semakin  singkat  waktu  pengeringan  yang  dibutuhkan. Waktu pengeringan paling efektif dapat dilakukan dengan menaikkan kecepatan inlet dibandingkan dengan menaikkan temperatur inlet .

## Daftar Pustaka
[1]  Kementrian  Pertanian,  2017,  Pedoman  Penanganan  Pascapanen  Tanaman  Teh,  Keputusan  Menteri  Pertanian Republik Indonesia Nomor: 353/Kpts/HK.130/12/2015.
[2]  Santony,  A.,  2014,  Kajian  Numerik  dan  Eksperimental  Proses  Perpindahan  Panas  dan  Perpindahan  Massa  pada Pengeringan.
[3]  Indriani, I., dkk., 2009,  Pembuatan Fluidized Bed Dryer untuk Pengeringan Benih Pertanian Secara Semi Batch. Laporan Tugas Akhir , Jurusan Teknik Kimia Universitas Sebelas Maret. Surakarta.
[4] Krishnan, S., Aravamudan, K. 2012, Simulation of non-Newtonian fluid.food particle heat transfer in the holding tube used in aseptic processing operations . Food and Bioproducts Processing. Hal 129-148.
[5]  Shilin,  D.,  Hongfan,  Y.,  1990,  Tea  Research  Institute,  Chinese  Academy  of  Agricultural  Sciences  Hangzhou, China; Mathematical Model of Drying for Tea Dryer II.A Multi-Layer Drying Model for Tea Dryer [J]; Journal of Tea Sciences.
[6]  Widayati, 2010, Fenomena dan Kecepatan Fluidisasi (Umf) . UPN “Veteran”’ Yogyakarta
[7]  Incropera,  F.P.,  David  P.D.W.,  1985,  Fundamentals  of  Heat  and  Mass  Transfer,  Second  Edition.  John  Wiley  & Sons Inc. : New York.