ALAT PEMBANGKIT GELEMBUNG UDARA BERUKURAN MIKROMETER DENGAN SALURAN SWIRLING ALIRAN ARAH TANGENSIAL

DRAJAT INDAH MAWARNI, Prof. Dr. Ir. Indarto., DEA;Prof. Dr. Eng. Deendarlianto., S. T., M. Eng;Wiratni, S. T., M. T., Ph. D

2022 | Disertasi | DOKTOR TEKNIK MESIN

Kaji eksperimental ini bertujuan untuk mengetahui performa microbubble generator (MBG) tipe swirl sebagai aerator termasuk di dalamnya adalah karakteristik pelarutan oksigen ke dalam aerasi air sebagai tolok ukur kualitas air dengan variasi jarak nosel udara (l) MBG yaitu 1, 5 dan 10 mm. Dalam eksperimen ini, kisaran laju aliran udara dan air ditetapkan masing-masing pada 0,1-0,8 l / menit dan 20,0-70,0 l / menit. Gelembung mikro ditangkap dengan kamera berkecepatan tinggi menggunakan teknik fotografi bayangan untuk mendapatkan distribusi ukuran gelembung serta diameter rata-rata gelembung. Koefisien perpindahan massa diukur dari jarak 60, 120 dan 180 cm dari outlet untuk tiap-tiap nilai l. Karakteristik gelembung mikro yang dihasilkan dipengaruhi oleh kombinasi kecepatan aliran udara dan air. Peningkatan laju aliran udara meningkatkan diameter gelembung rata-rata. Di sisi lain, kenaikan laju aliran air menurunkan diameter gelembung rata-rata. Ukuran gelembung pada l 1 mm mempunyai ukuran lebih kecil dibandingkan dengan ukuran gelembung pada variasi l yang lain. Diameter rata-rata gelembung yang terukur mempunyai nilai berkisar antara 360 ���µm sampai 470 ���µm. Penurunan diameter bubble rata-rata paling besar terjadi pada kenaikan debit air dari 30 lpm ke 40 lpm yaitu sebesar 10 % pada jarak nosel udara 10 mm dengan QG 0,8 lpm dan pada debit air dari 50 lpm ke 60 lpm yaitu sebesar 10 % pada jarak nosel udara 1 mm dengan QG 0,8 lpm. Sedangkan penurunan rata-rata diameter rata-rata bubble dari 60 lpm sampai 70 lpm kurang dari 10 % pada semua jarak nosel udara. Analisis dilakukan menggunakan analisis dimensional dengan memperhatikan distribusi diameter bubble. Dengan menggunakan analisis dimensi, korelasi empiris dari diameter gelembung rata-rata dan distribusi log-normal diameter gelembung diusulkan. Korelasi menunjukkan bahwa bilangan Weber cair, kecepatan aliran arah aksial dan kecepatan swirl berpengaruh terhadap diameter rata-rata gelembung, distribusi log-normal diameter gelembung dan transfer massa volumetric oksigen di dalam air. Model yang dikembangkan untuk performa MBG Swirl memiliki mean absolute percentage error (MAPE) 2.16%. Pola aliran yang diobservasi adalah pola breakup aliran bubble dengan sub-regime: breakup tarik/tensile, breakup dinamis, dan breakup statis. Pola breakup aliran bubble tarik diindikasikan dengan wavelet energy d4 mendekati d5, sedangkan pola breakup aliran dinamis dicirikan dengan puncak wavelet energi pada d5 mendekati d6 sedangkan pola breakup aliran statis dicirikan dengan puncak wavelet energi pada d6 . Pengelompokkan pola aliran dengan Artificial Neural Network(ANN) yang inputannya menggunakan wavelet energi ditemukan dua data pada pola aliran breakup low tensile dan breakup moderate tensile yang berada diluar limit eror dengan rata-rata nilai MAPE adalah 9,14%. Total data tekanan yang direcord dari semua variasi SR adalah 120 data dengan 70% untuk training, 15 % untuk validation, dan 15% untuk testing. Untuk keseluruhan data terdiri dari 5 data breakup low tensile, 20 data breakup moderate tensile, 17 data breakup low dynamic, 48 data breakup moderate dynamic, 14 data low static, 12 data moderate static dan 4 data breakup high static.

This experimental study aims to determine the performance of the swirl type microbubble generator (MBG) as an aerator, including the characteristics of dissolving oxygen into water aeration as a measure of water quality with variations in the air nozzle distance (l) MBG, namely 1, 5 and 10 mm. In this experiment, the air and water flow rate ranges were set at 0.1-0.8 l/min and 20.0-70.0 l/min, respectively. Microbubbles were captured by a high-speed camera using shadow photography techniques to obtain the bubble size distribution as well as the average diameter of the bubbles. The mass transfer coefficient was measured from a distance of 60, 120 and 180 cm from the outlet for each value of l. The characteristics of the microbubbles produced are influenced by the combination of air and water flow rates. An increase in the air flow rate increases the average bubble diameter. On the other hand, an increase in the water flow rate decreases the average bubble diameter. The bubble size at 1 mm has a smaller size than the bubble size in the other variations of l. The average bubble diameter measured has a value ranging from 360 m to 470 m. The largest decrease in the average bubble diameter occurred in the increase in water flow from 30 lpm to 40 lpm, which was 10% at a distance of 10 mm air nozzle with a QG of 0.8 lpm and at water discharge from 50 lpm to 60 lpm, which was 10% at air nozzle spacing of 1 mm with a QG of 0.8 lpm. Meanwhile, the decrease in the average bubble diameter from 60 lpm to 70 lpm is less than 10% at all air nozzle distances. The analysis was carried out using dimensional analysis by paying attention to the bubble diameter distribution. Using dimensional analysis, an empirical correlation of the mean bubble diameter and the log-normal distribution of bubble diameter is proposed. The correlations show that the liquid Weber number, axial flow velocity and swirl velocity affect the mean bubble diameter, log-normal distribution of bubble diameter and volumetric mass transfer of oxygen in water. The model developed for MBG Swirl's performance has a mean absolute percentage error (MAPE) of 2.16%. The observed flow pattern is a bubble flow breakup pattern with sub-regimes: tensile/tensile breakup, dynamic breakup, and static breakup. The pull bubble flow breakup pattern is indicated by the energy wavelet d4 approaching d5, while the dynamic flow breakup pattern is characterized by the energy wavelet peak at d5 approaching d6 while the static flow breakup pattern is characterized by the energy wavelet peak at d6. The grouping of flow patterns with ANN whose input uses energy wavelets found two data on low tensile breakup flow patterns and moderate tensile breakups which are outside the error limit with an average MAPE value of 9.14%. The total pressure data recorded from all SR variations is 120 data with 70% for training, 15% for validation, and 15% for testing. The overall data consists of 5 low tensile breakup data, 20 moderate tensile breakup data, 17 low dynamic breakup data, 48 moderate dynamic breakup data, 14 low static data, 12 moderate static data and 4 high static breakup data.

Kata Kunci : microbubble generator, swirl, intensitas turbulensi, koefisien transfer massa volumetric, identifikasi breakup aliran/microbubble generator, swirl, turbulence intensity,volumetric mass transfer coefficient, identification of flow breakup