Karakterisasi Aliran dan Kinerja Airlift Pump-Bubble Generator dalam Mengangkat Air dan Partikel

IGNB. CATRAWEDARMA, Prof. Dr. Ir. Indarto, DEA; Prof. Dr. Deendarlianto, ST., M.Eng

2021 | Disertasi | DOKTOR TEKNIK MESIN

Airlift pump merupakan metoda sederhana untuk mengangkat air dan partikel padat dari dasar reservoir dengan bantuan udara bertekanan, metoda ini banyak digunakan dalam bidang tambang, bidang perikanan, bidang pengelolaan air limbah, di industri kimia, dan dalam bidang pengairan. Disamping memiliki keuntungan seperti struktur dan kontruksi yang sederhana karena tidak ada bagian yang bergerak sehingga pembuatannya sederhana dan tanpa menggunakan pelumas, airlift pump juga memiliki kekurangan seperti rendahnya efisiensi dan debit keluaran yang tidak stabil. Penelitian dan pengembangan airlift pump telah dilakukan oleh para peneliti untuk meningkatkan kinerjanya. Dalam penelitian ini dilakukan pengembangan airlift pump yang dipadukan dengan bubble generator (BG) tipe orifice untuk mensuplai bubble kedalam pipa riser sehingga disebut sebagai airlift pump-BG. Pipa riser terbuat dari transparan akrilik untuk visualisasi aliran dengan diameter 56 mm dan panjang total 2,55 m. Seksi uji bawah dan atas masing-masing ditempatkan pada jarak 120 cm dan 170 cm diatas bubble generator. Air dan udara atmosfer sebagai fluida uji. Ketinggian kolom air pada pipa riser sesuai dengan submergence ratio (SR) dari 0,50 sampai 0,74. Laju volumetrik air yang disuplai kedalam bubble generator dijaga konstan 7 m3/h dan udara atmosfer yang diisap diatur dari 0,03 sampai 3 m3/h. dengan menggunakan dua unit bubble generator yang masing-masing membentuk sudut 45o terhadap horisontalnya untuk membentuk aliran swirl dibagian suction head. High speed camera dan metoda differential pressure digunakan untuk mengambil video pola aliran dan tekanan dalam pipa riser. Data tersebut diolah dengan teknik image dan signal processing. Hasil yang didapat bahwa kecenderungan kinerja airlift pump yang beroperasi dalam dua fasa dan tiga fasa sangat mirip yaitu semakin tinggi SR, semakin rendah titik kritisnya. Pada debit udara suplai yang sama, semakin tinggi SR, semakin besar debit air dan partikel yang keluar dari separator. Model yang dikembangkan untuk kinerja airlift pump-BG dua fasa memiliki mean absolute percentage error (MAPE) tertinggi 11,97% sedangkan untuk aliran tiga fasa memiliki MAPE tertinggi 15,61%. Pola aliran yang diobservasi adalah pola aliran bubble dengan sub-regime: clustered bubble, homogenous bubble, dan cap bubble, serta pola aliran slug dengan sub regime: bubbly-stable slug, bubbly-unstable slug, dan slug-churn. Pola aliran bubble diindikasikan dengan puncak wavelet energi pada a8 dan wavelet energy d4 mendekati d5, sedangkan pola aliran slug dicirikan dengan puncak wavelet energi pada d7 dan/atau d8. Mekanisme pergerakan air dan partikel dalam pipa riser dikelompokkan menjadi tiga step yaitu non-circulated, locally circulated, dan fully transported yang tergantung dari amplitudo sinyal pressure differential. Level chaotic meningkat dengan meningkatnya SR dan debit udara. Pengelompokkan pola aliran dengan ANN yang inputannya menggunakan wavelet energi memberikan pendekatan yang lebih baik daripada mengunakan input dari parameter statistik time domain.

Airlift pump is a simple method for lifting water and solid particles from the bottom of a reservoir by injecting the compressed air. This method is widely used in mining, fisheries, wastewater management, chemical industry, and irrigation field. Besides having advantages such as simple structure and manufacture and also without using lubricants, the airlift pump also has disadvantages such as low efficiency and unstable discharge flow rate. Research and development of the airlift pump has been carried out by researchers to improve its performance. In this study, the airlift pump was combined with an orifice type bubble generator (BG) to supply bubbles into the riser pipe and it was called the airlift pump-BG. The riser pipe, with 56 mm inner diameter and 2.55 m total length, was made of transparent acrylic for flow visualization. The lower and upper test sections were located at a distance of 120 cm and 170 cm, respectively, above the bubble generator. Water and atmospheric air were as the testing fluid, and sand was as solid particles. The height of the water column in the riser pipe, corresponds to the submergence ratio (SR), was changed from 0.50 to 0.74. The volumetric flow rate of water supplied to the bubble generator was kept constant at 7 m3/h and the sucked atmospheric air was regulated from 0.03 to 3 m3/h. Two bubble generator units were placed in the suction head with 45o intake angle to form swirl flow. High speed camera and differential pressure methods were used to take video of the flow pattern and pressure in the riser pipe, respectively. The data was processed using image and signal processing techniques. The results show that the trend of the airlift pump performance operating in two and three phases was very similar, namely the higher the SR, the lower the critical point. At the same supplied air flow rate, the higher the SR, the greater the water and particle discharges in the separator. The developed model for the performance of the two-phase airlift pump-BG has the highest mean absolute percentage error (MAPE) of 11.97%, while the three-phase flow has the highest MAPE of 15.61%. The observed flow patterns are bubble flow patterns with sub-regimes were clustered bubble, homogeneous bubble and cap bubble, and slug flow patterns with sub regimes were bubbly-stable slug, bubbly-unstable slug, and slug-churn. The bubble flow pattern was indicated by the peak energy wavelet at a8 and the wavelet energy d4 approaches d5, while the slug flow pattern was characterized by the wavelet peak energy at d7 and/or d8. The mechanism for the movement of water and particles in the riser pipe was grouped into three steps, namely non-circulated, locally circulated, and fully transported depending on the amplitude of the pressure differential signal. The chaotic level increases with increasing SR and air flow rate. Flow pattern grouping with ANN input using energy wavelet provides a better approach than using input from statistical parameters of time domain.

Kata Kunci : Airlift pump-BG, image and signal processing, pump performance, and identification of flow structures