KAJIAN NUMERIK DAN EKSPERIMENTAL PROSES PERPINDAHAN PANAS DAN PERPINDAHAN MASSA PADA PENGERINGAN
Ary Santony 1 , Himsar Ambarita 2 , Andianto P 3 ., Mahadi 4 , Suprianto 5 , Dian M. Nasution 6 1,2,3,4,5,6 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara E-mail : santony.ary@gmail.com

## 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 eksperimen dan simulasi. Produk hasil pertanian, yaitu kentang dipilih sebagai objek penelitian ini. Penelitian secara eksperimen dilakukan dengan mengalirkan udara panas ke arah kentang dengan kecepatan, temperatur dan RH konstan. Kemudian data temperatur serta massa yang berubah pada kentang diukur dan dicatat secara otomatis menggunakan Agilent dan Load Cell . Selain melakukan  eksperimen,  penelitian  ini  juga  melakukan  simulasi  untuk  menampilkan  distribusi temperatur yang terjadi pada kentang selama pengeringan dan membandingkan hasil yang diperoleh secara  numerik  dengan  hasil  yang  diperoleh  secara  eksperimen.  Simulasi  dilakukan  dengan menggunakan perangkat lunak CFD yaitu Ansys Fluent 14.5. Pada hasil eksperimen, diperoleh bahwa temperatur  cenderung  meningkat  apabila  waktu  pengeringan  bertambah.  Temperatur  awal  kentang adalah  301,11  K. Temperatur  tertinggi  setelah  dua  jam  melakukan  pengeringan  terletak  pada permukaan  kentang,  yaitu  316,304  K.  Sedangkan  temperatur  pada  titik  tersebut  yang  diperoleh  dari hasil simulasi adalah 316,972 K. Pada eksperimen, massa kentang cenderung berkurang apabila waktu pengeringan  bertambah.  Massa  awal  kentang  sebelum  dikeringkan  adalah  75  gr.  Hasil  pengukuran massa kentang setelah dua jam melakukan pengeringan adalah 63 gr. Sedangkan massa kentang yang diperoleh  dari  hasil  simulasi  adalah  66,58  gr.  Sehingga  diperoleh  ralat  antara  hasil  eksperimen  dan numerik berturut-turut pada pengukuran temperatur dan massa adalah 0,21% dan  5,09%.
Kata kunci : Pengeringan, Perpindahan Panas, Penguapan, CFD.

## 1. PENDAHULUAN
Pengeringan merupakan proses mengurangi kadar air dari objek yang dikeringkan. Proses ini sudah  dikenal  dan  digunakan  manusia  sejak  jaman  dahulu.  Pengeringan  adalah  proses  perpindahan massa  air  dari  suatu  zat  padat  atau  semi  padat  dengan  melalui  proses  penguapan.  Dalam  industri, proses pengeringan sering kali merupakan tahap akhir proses produksi sebelum dikemas atau dijual ke konsumen.
Pada awalnya proses pengeringan hanya ditujukan untuk mengawetkan makanan. Tetapi, saat ini proses pengeringan telah berkembang luas pada bidang lain seperti agroindustri, kimia, biokimia, farmasi, dan industri kertas.
Metode pengeringan juga semakin berkembang, yaitu tidak hanya sekedar mengurangi kadar air tetapi juga mengontrol proses pengeringan untuk mendapatkan kualitas produk pengeringan yang lebih baik.
Selama beberapa  dekade  terakhir, penelitian telah  banyak  dilakukan  untuk menjelaskan  hal- hal  yang  berhubungan  dengan  proses  pengeringan  dan  perubahan-perubahan  yang  terjadi  selama proses pengeringan.
Tujuan utamanya adalah untuk menghasilkan proses - proses pengeringan yang lebih efektif dan efisien. Diperkirakan kurang lebih 250 paten Amerika dan 80 paten Eropa telah diterbitkan setiap tahunnya.  Hal  ini  menunjukkan  pengeringan  merupakan  salah  satu  bidang  ilmu  yang  sedang berkembang dengan pesat.
Salah  satu  tantangan  yang  saat  ini  masih  terus  mendapat  perhatian  adalah  bagaimana memodelkan  proses  pengeringan.  Dengan  mengetahui  model  pengeringan  yang  baik,  diharapkan
dapat  melakukan  perbaikan  pada  desain  mesin  pengering  dan  penentuan  proses  pengeringan  yang lebih baik dan efisien.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
Pengeringan  dapat  diartikan  memindahkan  atau  mengambil  kandungan  zat  cair  dari  benda padatnya, zat cair yang biasa kita pindahkan dari zat padat adalah air. Sedangkan zat padat biasanya bermacam-macam,  contohnya  pada  pabrik  pengolahan  makanan,  khususnya  pabrik  yang  mengolah manisan  buah-buahan  kering,  maka  proses  pengeringan  akan  diaplikasikan  untuk  mengurangi kandungan  air  yang  ada  pada  buah-buahan  tersebut,  maka  yang  bertindak  sebagai  zat  padat  adalah buah tersebut, sedangkan yang menjadi zat cairnya adalah air yang berada dalam buah tersebut.
Faktor - faktor yang mempengaruhi pengeringan adalah sebagai berikut :
1. Luas permukaan
2. Suhu
3. Kecepatan udara
4. Kelembaban udara ( Relative Humidity )
5. Tekanan udara
6. Waktu

## 2.1 Perpindahan Panas dan Perpindahan massa
Perpindahan panas terjadi karena ada perbedaan temperatur. Perpindahan panas dapat terjadi melalui 3 cara, yaitu konduksi, konveksi dan radiasi.
Perpindahan  massa  dapat  dianalogikan  dengan  perpindahan  panas.  Massa  yang  berpindah (berdifusi)  dapat  dianggap  sebagai  panas  dan  tempat  massa  berdifusi  disebut  medium.  Perpindahan massa hanya dibagi atas perpindahan massa konduksi dan perpindahan massa konveksi, dengan kata lain tidak ada perpindahan massa radiasi.
Perpindahan massa terjadi karena  adanya  perbedaan  konsentrasi  pada  suatu  medium.  Proses perpindahan  massa  dan  biasa  disebut  difusi  massa  ( mass  diffusion )  sangat  mirip  dengan  proses perpindahan  panas,  jika  pada  perpindahan  panas  dapat  dijelaskan  dengan  hukum  Fourier  dimana perbedaan  temperatur  sebagai  gaya  pendorong  ( driving  force ),  maka  perpindahan  massa  dijelaskan dengan hukum Fick dengan perbedaan konsentrasi sebagai driving force.
Pada  permukaan  plat  yang  masing  -  masing  mempunyai  temperatur  constant  yang  berbeda, permukaan  A  dan  permukaan  B,  seperti  yang  ditampilkan  pada  gambar  1,  perpindahan  panas  akan terjadi dari permukaan yang tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Hal yang sama akan terjadi pada plat  yang  mempunyai  konsentrasi  yang  berbeda  pada  masing-masing  permukaannya.  Perpindahan massa  akan  terjadi  dari  permukaan  yang  mempunyai  konsentrasi  tinggi  ke  permukaan  yang mempunyai konsentrasi lebih rendah.
Gambar 1 Perpindahan panas secara konduksi
Gambar 2 Perpindahan massa secara konduksi
Perpindahan  panas  konduksi  dapat  dihitung  dengan  menggunakan  hukum  Fourier, persamaannya adalah sebagai berikut :
( ) L T T kA dx dT kA Q B A kon − = − =  …...(1)
Dimana :
kon Q  = Laju perpindahan panas konduksi (W)
k = Konduktivitas thermal bahan (W/m.K)
A = Luas penampang perpindahan panas (m 2 )
A T = Temperatur pada titik A (K)
B T = Temperatur pada titik B (K)
L = Ketebalan dinding benda (m)
Perpindahan massa dapat dihitung dengan menggunakan hukum difusi Fick atau biasa disebut Fick’s Law of Diffusion , dalam basis mol dirumuskan dengan :
( ) L C C DA dx dC DA N B A − = − =  ... ...(2)
Dimana :
N  = Laju perpindahan massa (mol/det)
D = Koefisien difusi massa suatu zat pada mediumnya (m 2 /det) A = Luas penampang perpindahan massa (m 2 )
A C = Konsentrasi pada titik A (mol/m 3 ) B C = Konsentrasi pada titik B (mol/m 3 )
L = Ketebalan dinding benda (m)
Gambar 3 Perpindahan massa secara konveksi
Secara  matematis,  perpindahan  panas  konveksi  pada  permukaan  benda  dapat  dirumuskan sebagai berikut :
( )  − = T T hA Q s s konv 
……………...(3) Dimana :
konv Q  = Laju perpindahan panas konveksi (W)
h = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m 2 .K)
s A = Luas penampang perpindahan panas (m 2 )
s T = Temperatur permukaan benda (K)
 T = Temperatur fluida yang mengalir (K)
Dengan analogi yang sama, perpindahan massa dapat dirumuskan dengan persamaan :
( )  − =
  s m evap A h m  …...………...(4)
Dimana :
evap m  = Laju penguapan (kg/det)
m h
= Koefisien perpindahan massa konveksi (m/det)
A = Luas penampang perpindahan panas (m 2 )
s  = Massa jenis pada permukaan benda (kg/m 3 )
  = Massa jenis fluida yang mengalir (kg/m 3 )

## 2.2  Analogi Chilton-Colburn
Bagi  fluida  yang  mempunyai  sifat 1 Pr   Sc ,  Chilton  dan  Colburm  (1943)  mengajukan persamaan berikut [3] :
3 2 3 2 Pr 2 Sc St St f m = = …………...(5)
Dengan menggunakan analogi ini, maka koefisien perpindahan massa dan perpindahan panas dapat dihubungkan menjadi persamaan berikut :
3 2
Pr       = Sc St St m …………..………...(6) Atau jika dikembangkan lagi, maka persamaan xxx menjadi sebagai berikut : 3 2 3 2 3 2 . . . . Pr . Le cp D cp Sc c h h m     =       =       = ..(7)
Dimana :
 = Massa jenis fluida kerjanya (kg/m 3 ) cp = Kapasitas panas (J/kg.K)
Le = Bilangan Lewis

## 2.3 Computational Fluid Dynamics (CFD)
Computational  Fluid  Dynamics (CFD)  adalah  suatu  cabang  dari  mekanika  fluida  yang menggunakan  metode  numerik  untuk  menyelesaikan  dan  menganalisa  elemen-elemen  yang  akan disimulasikan.  CFD  dibangun  atas  beberapa  persamaan  yang  dikenal  dengan  istilah  “ Governing Equations ”. Untuk kasus 2D persamaan tersebut ditunjukkan oleh persamaan (8), (9), (10) dan (11) sebagai berikut :
( ) ( ) 0 =   +   +   y v x u t    ….……...(8)         +   +   − =   +   2 2 2 2 1 y u x u x p y v v x u u    ..(9)         +   +   − =   +   2 2 2 2 1 y v x v y p y v v x u u    (10)
        +   =   +   2 2 2 2 x T x T c k y T v x T u
 (11)

## 3 METODOLOGI PENELITIAN

## 3.1 Bahan
Objek  yang  menjadi  penelitian  ini  adalah  produk  hasil  pertanian,  yaitu  kentang.  Kentang dipilih  karena  tidak  memiliki  biji,  dan  dimensi  yang  diperoleh  setelah  dipotong  dan  dibentuk mencukupi  untuk  dimasukkan  pada  sterefoam  yang  sudah  dibentuk.  Dimensi  kentang  setelah dipotong dan dibentuk adalah 52 x 50 x 24 mm, dapat dilihat pada gambar 4.

## Gambar 4 Kentang yang sudah dipotong dan dibentuk

## 3.2 Alat Ukur
Alat ukur yang digunakan untuk mengukur variabel - variabel penelitian, antara lain : a. Agilent
b. Load Cell
c. RH Meter
3.3 Alat
Peralatan yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut:
a. Blower
b. Stabilizer
c. Drying Chamber
d. Sterefoam
e. Seperangkat Komputer

## 3.4  Prosedur Eksperimental
Prosedur eksperimental dapat diuraikan sebagai berikut :
1. Proses assembling alat pengering. Blower dihubungkan ke stabilizer, dan pada blower dipasang dengan drying  chamber di  tempat  keluaran  udara  blower  dan load  cell dipasang  pada  tempat yang telah ditentukan.
2. RH  meter  dihubungkan  ke  komputer  terlebih  dahulu  yang  bertujuan  untuk  melakukan pengaturan interval waktu terhadap data yang akan direkam. Kemudian RH meter digantungkan di dalam drying chamber di dekat sumber udara panas.
3. Kemudian  dipasang  termokopel  (5  titik)  pada  kentang.  Agilent  diaktifkan  dan  diatur  sehingga data-data temperatur tersimpan secara otomatis.
4. Load cell dhubungkan ke komputer terlebih dahulu untuk melakukan pengaturan pada data yang akan direkam dengan interval waktu yang ditentukan.
5. Blower  diaktifkan  selama  10  menit  agar  temperatur  udara  tidak  mengalami  kenaikan  dan penurunan temperatur sebelum melakukan percobaan, dapat dilihat pada gambar 5.

## Gambar 5 Blower diaktikan selama 10 menit
6. Kentang  yang  sudah  dipasang  temokopel  diletakkan  di  sterefoam  dan  kemudian  digantungkan pada load cell, dapat dilihat pada gambar 6 .
Gambar 6 Kentang digantungkan pada load cell
7. Pengujian dilakukan selama rentang waktu yang ditentukan, kemudian data-data yang diperoleh dari load cell dan RH Meter diolah di komputer.

## 3.5  Prosedur Numerik
Prosedur numerik dapat diuraikan sebagai berikut :
1. Pemodelan  dilakukan  dengan  proses  penggambaran drying  chamber ,  sterefoam  dan  kentang dalam  bentuk  gambar  2D  sesuai  dengan  dimensi  yang  dilakukan  pada  eksperimen. Penggambaran dilakukan dengan menggunakan software Gambit 2.4. Pemodelan geometri dapat dilihat pada gambar 7. Titik koordinat yang ditunjukkan pada gambar 7 dalam satuan mm.
Gambar 7 Pemodelan geometri dengan software Gambit 2.4
2. Setelah  itu,  lakukan  pembagian  objek  menjadi  bagian-bagian  kecil  disebut  dengan meshing . Hasil meshing yang dilakukan dapat dilihat pada gambar 8.
Gambar 8 Tampilan mesh yang telah dibuat dengan software Gambit 2.4
3. Langkah  selanjutnya  adalah  menetapkan boundary  condition atau  kondisi  batas.  Untuk memperjelas  letak  kondisi  batas  pada  penelitian  ini  selengkapnya  ditampilkan  pada  gambar  9 dan gambar 10, serta dijelaskan pada tabel 1.

## Gambar 10 Dinding kopel antara fluida dan solid
Tabel 1 Kondisi Batas Kondisi batas Jenis Nilai Inlet Velocity Inlet Kecepatan  0,35 m/s RH : 20% Temperatur 57,5 K Outlet Pressure Outlet - Chamber Wall Wall - Sterefoam Solid k = 0,033 W/m.K
 = 0,05
g/cm 3
Cp = 1300-1500 J/kg. o C Udara Fluid Mixture- template Kentang Solid k = 0,49 W/m.K  = 1212 g/cm 3
Cp = 3660 J/kg. o C Dinding kopel Couple Wall 4. Setelah  kondisi  batas  ditetapkan  di  Gambit,  langkah  akhir  yang  dilakukan  di  Gambit  adalah meng- export mesh menjadi file dengan format .msh. File ini selanjutnya akan dibuka di Fluent.
5. Untuk  mengatur  fluida  kerja,  diperlukan  untuk  mengaktifkan  model species  transport dan kemudian  dipilih mixture  template pada mixture  material. Species  transport berfungsi  untuk menentukan  fluida  menjadi  campuran  dari  uap  air  dan  udara,  sehinggan  RH  pada  fluida  dapat ditentukan. Tampilan dari langah mengaktifkan species transport ditunjukkan pada gambar 11.
6. Jenis  material mixture harus  diatur  sehingga  hanya  ada  material  uap  air  ( h2o )  dan  udara  ( air ) yang terkandung dalam material mixture , langkah ini dapat dilihat pada gambar 12.
Gambar 12 Pengaturan material mixture

## 4 HASIL DAN PEMBAHASAN
Berikut gambar peletakan titik termokopel, dapat dilihat pada gambar 13.

## Gambar 13 Letak titik termokopel pada kentang

## 4.1  Temperatur pada Kentang
Data temperatur yang diambil sebagai acuan dalam mensimulasikan proses pengeringan yaitu pada tanggal 12 Mei 2014. Data diambil dengan menggunakan alat Agilent untuk merekam perubahan temperatur  yang  terjadi  setiap  1  menit  pada  lokasi  5  titik  termokopel  yang  telah  ditentukan  pada gambar 14. Grafik perubahan temperatur yang terjadi pada setiap titik termokopel dapat dilihat pada gambar 14.
Gambar 14 Perubahan temperatur pada titik temokopel yang berbeda
Pada  gambar  14  dapat  dilihat  bahwa  temperatur  cenderung  meningkat  apabila  waktu pengeringan bertambah.
Temperatur  yang  paling  tinggi  terletak  pada  titik  120  yang  berada  pada  permukaan  kentang dikarenakan  posisi  ini  bersentuhan  dengan  udara  panas  secara  langsung  serta  mengalami  laju perpindahan  panas  konduksi  terbesar  dan  temperatur  yang  paling  rendah  terletak  pada  titik  114 dikarenakan  posisi  ini  tidak  bersentuhan  dengan  udara  panas  secara  langsung  serta  mengalami  laju perpindahan panas konduksi yang paling kecil.
Temperatur yang dihasilkan dari proses simulasi dapat dilihat pada gambar 15, 16, 17 dan 18.
Gambar 15 Distribusi kontur temperatur awal pada kentang
Gambar 16 Kontur temperatur pada kentang yang diperoleh dari hasil simulasi setelah 600 detik proses pengeringan
Gambar 17 Kontur temperatur pada kentang yang diperoleh dari hasil simulasi setelah 3600 detik proses pengeringan
Gambar 18 Kontur temperatur pada kentang yang diperoleh dari hasil simulasi setelah 7200 detik proses pengeringan

## 4.2  Massa pada Kentang
Selama  proses  pengeringan  dilakukan,  maka  massa  kentang  akan  mengalami  penurunan secara terus menerus. Hal ini disebabkan adanya perpindahan massa, pada kasus pengeringan ini yang terjadi  adalah    menguapnya  kandungan  air  yang  terdapat  pada  kentang  tersebut.  Grafik  perubahan massa kentang yang pengujiannya dilakukan pada tanggal 12 Mei 2014 dapat dilihat pada gambar 19.
Gambar 19 Perubahan massa kentang selama proses pengeringan
Dari  gambar  19  menunjukkan  bahwa  massa  kentang  semakin  menurun  apabila  waktu pengeringan  bertambah.  Pada  akhir  grafik,  penurunan  massa  pada  kentang  tidak  lagi  terjadi,  ini disebabkan  oleh  kadar  air  dalam  kentang  yang  sudah  habis,  sehingga  tidak  ada  proses  perpindahan massa yang terjadi pada kentang.

## 4.3  Validasi Terhadap Eksperimen
Validasi  dilakukan  dengan  membandingkan  antara  hasil  dari  analisa  numerik  dengan  data hasil  eksperimen.  Hal  ini  perlu  dilakukan  untuk  mengetahui  keabsahan  hasil  simulasi  yang  telah dilakukan dengan menggunakan software .
Pada gambar 20 menunjukkan perbandingan temperatur antara hasil dari analisa numerik dan hasil dari ekperimen yang dilakukan pada tanggal 12 Mei 2014.
Gambar 20 Grafik perbandingan temperatur antara hasil dari analisa numerik dan hasil eksperimen yang dilakukan pada tanggal 12 Mei 2014
Setelah  hasil  temperatur  dibandingkan,  maka  selanjutnya  yang  perlu  untuk  dibandingkan adalah  hasil  perbandingan massa  kentang  sebelum  dan  sesudah  terjadinya  proses  pengeringan.  Pada gambar  21  menunjukkan  perbandingan  massa  antara  hasil  dari  analisa  numerik  dan  hasil  dari ekperimen yang dilakukan pada tanggal 12 Mei 2014.
Gambar 21 Grafik perbandingan massa antara hasil dari analisa teoritis dan eksperimen yang dilakukan pada tanggal 12 Mei 2014

## 5 KESIMPULAN
Adapun kesimpulan yang diperoleh dari pengujian ini adalah sebagai berikut :
1. Temperatur pada setiap titik termokopel meningkat apabila waktu pengeringan bertambah.
2. Massa kentang semakin menurun apabila waktu pengeringan bertambah.
3. Hasil pengukuran temperatur setelah dua jam proses pengeringan pada permukaan kentang yang bersentuhan dengan aliran udara secara langsung berdasarkan hasil eksperimen pada point 112, 113  dan  120  berturut-turut  adalah  314,723  K,  315,038  K  dan  316,304  K,  sedangkan  hasil pengukuran berdasarkan simulasi adalah 315,172 K, 315,834 K dan 316,972 K. Perbedaan ralat yang terjadi adalah 0,14%, 0,25% dan 0,21%.
4. Hasil  pengukuran  temperatur  setelah  dua  jam  proses  pengeringan  pada  bagian  kiri  dan  kanan kentang  yang  tidak  bersentuhan  dengan  aliran  udara  berdasarkan  hasil  eksperimen  pada  point 114  dan  119  berturut-turut  adalah  309,787  K  dan  311,320  K,    sedangkan  hasil  pengukuran berdasarkan  simulasi  adalah  312,681  K  dan  314,203  K.  Perbedaan  ralat  yang  terjadi  adalah 0,93% dan 0,93%.
5. Hasil  pengukuran  massa  kentang  setelah  dua  jam  proses  pengeringan  berdasarkan  hasil eksperimen  adalah  63  gr.  Sedangkan  massa  kentang  yang  diperoleh  dari  hasil  simulasi  adalah 66,58  gr.  Perbandingan  hasil  pengukuran  massa  pada  eksperimen  dan  teoritis  mengalami perbedaan ralat 5,09.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Ambarita,  Himsar.  2011. Buku  Kuliah  Pendingin  (Komponen  SKU) .  Medan  :  Departemen Teknik Mesin FT USU.
[2] Ambarita, Himsar. 2011. Buku Kuliah Perpindahan Panas Konduksi (penyelesaian analitik dan numerik) . Medan : Departemen Teknik Mesin FT USU.
[3] Ambarita,  Himsar.  2011. Perpindahan  Panas  Konveksi  dan  Pengantar  Alat  Penukar  Kalor . Medan : Departemen Teknik Mesin FT USU.
[4] Cengel,  Y.A. Heat  Transfer  A  Practical  Approach,  Second  Edition. Mc  Graw-Hill,  Book Company, Inc : Singapore.
[5] Corrales,  L.V,  Prieto,  J.J.R,  Hernandez,  E.G.  2009. Numerical  and  Experimental  Analysis  of Heat and Moisture Transfer During Drying of Ataulfo Mango . Journal of Food Engineering : Elsevier.
[6] http://majarimagazine.com/ 2008/12/teknologi-pengeringan-bahan-makanan/
[7] http://westryantindaon.blogspot .com/2013/07/pengeringan.html
[8] http://www.slideshare.net/frans iskaputeri/itp-uns-semester-3-mesin-dan-peralatan-pengeringan
[9] Incropera, Frank P., David P. De Witt. 1985. Fundamentals of Heat and Mass Transfer , Second Edition . John Wiley & Sons Inc. : New York.
[10]  Kaya,  A.,  et  al.  2005. Numerical  Modeling  of  Heat  and  Mass  Transfer  During  Forced Convection Drying of Rectangular Moist Object. Journal of Heat and Mass Transfer : Elsevier.