Seminar Nasional TREnD Technology of Renewable Energy and Development FTI Universitas Jayabaya Juni 2023 Pengaruh Jumlah Baffle Terhadap Kinerja Microbubble Generator Venturi Luluk Fitri Yani*).
Sigit Deddy Purnomo Indarto dan Deendarlianto Departemen Teknik Mesin dan Industri Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada *) Corresponding author: Lulukfitriyani@mail.
Abstract The growth of aquaculture in the future will become an important part of providing fish supply for national, regional and world food.
In fish farming, there are several factors that determine the success of aquaculture, which are influenced by dissolved oxygen.
To improve water quality, the amount of too much oxygen in the water can be increased by using microbubble generator technology.
Based on this background, the researchers developed a new model of the venturi type microbubble generator with modifications to the addition of a swirl baffle in the inlet section.
This study aims to determine the distribution of bubbles and the performance of the venturi microbubble generator.
Measurement of bubble distribution using a high-speed camera.
The processed data were analyzed using MATLAB R2023a, while the performance of the venturi microbubble generator was measured using a Difference Pressure Transducer sensor.
The performance of the venturi microbubble generator is seen based on pressure drop, hydraulic power and bubble generation efficiency.
The results showed that the smallest diameter of the microbubble was 73 AAm, the influence of the water discharge caused an increase in pressure drop and hydraulic power but reduced the value of the efficiency of generating bubbles.
Abstrak Pertumbuhan perikanan budidaya dimasa mendatang menjadi bagian kunci menyediakan pasokan ikan dalam sistem perikanan untuk pangan nasional, regional dan dunia.
Dalam budidayaan ikan terdapat beberapa faktor yang menentukan keberhasilan pembenihan yaitu kualitas benih, pengolahan, dan kualitas air yang meliputi suhu air, salinitas, pH, dan oksigen terlarut.
Untuk meningkatkan kualitas air, jumlah oksigen terlalut di dalam air dapat ditingkatkan jumlahnya dengan menggunakan teknologi microbubble Berdasarkan latar belakang tersebut peneliti mengembangkan model baru microbubble generator tipe venturi dengan modifikasi penambahan swirl baffle bagian inlet.
Generator venturi ditempatkan pada aquarium berukuran 280 cm x 60 cm x 40 cm, diletakkan pada kedalaman 20 cm dari dasar aquarium.
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui distribusi bubble dan kinerja microbubble generator venturi.
Pengukuran distribusi bubble menggunakan kamera berkecepatan tinggi.
Data yang diolah dan dianalisis menggunakan MATLAB R2023a.
Analisis dilakukan pada variasi debit air 40 lpm dan 50 lpm serta debit gas dari 0.
1 Ae 0.
7 lpm.
Kinerja microbubble generator venturi dilihat berdasarkan pressure drop, hydraulic power dan efisiensi pembangkitan bubble.
Hasil penelitian menunjukkan diameter terkecil microbubble menghasilkan 73 AAm, pengaruh debit air menyebabkan pressure drop dan hydraulic power meningkat namun menurunkan nilai efisiensi pembangkitan bubble.
Kata kunci : Efficiency.
Hydraulic Power.
Microbubble Generator.
Venturi TREnD - Technology of Renewable Energy and Development Luluk Fitri Yani et al / Seminar Nasional TREnD .
2023 96 - 104
PENDAHULUAN
Seiring dengan pertumbuhan penduduk dan pengurangan ketersediaan lahan teresterial proyeksi produksi perikanan budidaya akan berlipat ganda dalam 15-20 tahun mendatang .
Pertumbuhan perikanan budidaya di masa mendatang menjadi bagian kunci dalam menyediakan pasokan ikan dalam system perikanan untuk pangan nasional, regional dan dunia.
Indonesia memiliki potensi perikanan budidaya yang besar dan perlu terus dimanfatkan secara optimal.
Dalam budidayaan ikan terdapat beberapa faktor yang menentukan keberhasilan pembenihan yaitu kualitas benih, pengolahan, dan kualitas air yang meliputi suhu air, salinitas, pH, dan oksigen terlarut (DO) .
Oksigen terlarut atau Dissolve Oksigen (DO) merupakan zat yang dibutuhkan oleh makhluk hidup di dalam air untuk melangsungkan kehidupannya.
Oksigen terlarut diperlukan untuk pernapasan, proses metabolisme atau pertukaran zat yang kemudian menghasilkan energi untuk pertumbuhan dan pembiakan.
Sehingga oksigen terlarut menjadi tolak ukur terhadap kualitas air.
Semakin tinggi oksigen terlalut maka kualitas perairan semakin baik .
Sebagai upaya untuk meningkatkan kualitas air maka jumlah oksigen terlalut di dalam air dapat ditingkatkan jumlahnya dengan menggunakan teknologi aerator.
Terdapat beberapa alat yang membantu mempertahankan kadar oksigen terlarut diantaranya sistem grafity, aerasi permukaan, diffuser aerator, kincir air, dan microbubble generator.
Beberapa peneliti telah melakukan penelitian mengenai pengembangan microbubble Sadatomi dkk.
, .
mendesain microbubble generator dengan spherical body.
Generator yang dibuat memanfaatkan air bertekanan untuk dimasukkan ke dalam pipa yang bagian dalamnya berbentuk spherical .
Tabei dkk.
, .
merancang microbubble generator dengan tipe swirl.
Tipe ini memiliki mekanisme sederhana dan kemampuan menghasilkan gelembung udara yang efektif .
Gordicyuk, dkk.
, .
melakukan penelitian distribusi ukuran dan diameter rata-rata microbubble dengan jenis microbubble generator tipe venturi .
Ishikawa.
, .
juga mendesain microbubble generator dengan struktur venturi, terbentuknya microbubble pada microbubble generator ini disebabkan karena adanya turbulensi dan tegangan geser yang besar pada bagian throat .
Wang dkk.
, .
menambahkan aliran swirl pada saluran inlet microbubble generator venturi dan menyimpulkan bahwa dengan daya pompa yang sama microbubble generator swirl venturi menghasilkan bubble yang lebih kecil dengan distribusi yang lebih homogen dibandingkan dengan microbubble generator venturi konvensional .
Sedangkan penelitian oleh Deendarlianto dkk.
, .
mengatakan bahwa ratio antara kecepatan udara dan air dalam microbubble generator dan gaya turbulensi aliran menjadi parameter utama terbentuknya microbubble .
Berdasarkan latar belakang tersebut peneliti tertarik untuk mengembangkan model baru microbubble generator tipe venturi dengan memodifikasi bagian inlet yaitu dengan menambahkan swirl baffle.
Studi eksperimental dilakukan untuk mengetahui pengaruh jumlah buffle terhadap kinerja microbubble generator venturi.
METODE PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Mekanika Fluida.
Departemen Teknik Mesin dan Industri Universitas Gadjah Mada.
Penelitian ini menggunakan microbubble generator tipe venturi dengan modifikasi swirl baffle pada bagian inlet.
Fabrikasi microbubble generator dilakukan dengan 3D printing, dengan konstruksi utama yaitu konvergen, throat, dan divergen seperti Gambar 1.
Pada bagian throat memiliki diameter 9 mm dan terdapat sebuah lubang pada bagian atas throat dengan diameter 3 mm yang digunakan untuk mengalirkan udara ke dalam microbubble generator.
Pada bagian inlet dan outlet microbubble generator venturi juga dipasang pressure tabs berukuran 1 mm untuk mengukur tekanan pada bagian inlet dan outlet TREnD - Technology of Renewable Energy and Development Luluk Fitri Yani et al / Seminar Nasional TREnD .
2023 96 - 104 microbubble generator.
Swirl baffle di tempatkan pada inlet microbubble generator dengan tebal 2,5 mm dan Panjang 6 mm.
Variasi jumlah baffle yang digunakan berjumlah 3 dengan sudut 600.
Gambar 1.
Desain Microbubble Generator Venturi dengan 3 baffle Skema dari penelitian ini seperti pada Gambar 2.
Air bersih digunakan sebagai fluida cair dan udara pada tekanan 1 atm digunakan sebagai fluida gas.
Seksi uji berada di kolam aquarium berbahan kaca dengan Panjang 280 cm, lebar 60 cm, dan tinggi 60 cm.
Air diisi sampai mencapai ketinggian 40 cm.
Microbubble generator venturi diletakkan pada 20 cm dari dasar Air disirkulasikan tertutup dengan menggunakan pompa 1 fasa.
Sirkulasi debit air ditentukan variasi alirannya dengan cara mengatur pompa menggunakan valve dan diukur menggunakan water flowmeter.
Variasi debit air yang digunakan yaitu 40 - 60 lpm.
Sedangkan Debit udara diatur variasinya mengunakan air flowmeter.
Variasi debit udara yang digunakan 1 - 0.
7 lpm.
Udara ini mengalir secara alami dari atmosfer menuju ke dalam microbubble generator venturi melewati lubang yang berada pada bagian throat hal ini terjadi karena tekanan di dalam microbubble generator venturi lebih rendah dibandingkan dengan tekanan atmosfer sehingga udara luar dapat masuk ke dalam microbubble generator venturi.
Gambar 2.
Skema peralatan penelitian microbubble generator venturi Pengukuran distribusi microbubble generator venturi diamati menggunakan kamera berkecepatan tinggi merk Phantom Miro M310.
Kamera diletakkan di depan akuarium yang berfokus pada bagian oulet microbubble generator venturi.
Lampu LED dan kertas putih diletakkan pada bagian belakang akuarium untuk membantu menghasilkan keseragaman cahaya.
Sebelum dilakukan pengambilan data dilakukan kablirasi untuk menghasilkan ketelitian yang Selanjutnya melakukan perekaman pada saat microbubble generator venturi dijalankan.
Output rekaman ditransfer ke komputer melalui aplikasi Phantom Control kamera.
Kemudian data diolah menggunakan image processing menggunakan perangkat lunak MATLAB R2023a TREnD - Technology of Renewable Energy and Development Luluk Fitri Yani et al / Seminar Nasional TREnD .
2023 96 - 104 untuk menghasilkan data kuntitatif distribusi diameter bubble.
Kinerja microbubble generator venturi pada penelitian ini berdasarkan parameter pressure drop .
P), hydraulic power (L.
dan efisiensi pembangkitan bubble .
uC).
Pressure drop menunjukkan penurunan tekanan yang terjadi ketika aliran melewati inlet microbubble generator venturi hingga outlet microbubble generator venturi.
Hydraulic power menunjukkan besarnya daya yang dibutuhkan untuk menghasilkan bubble.
Besarnya nilai hydraulic power berpengaruh terhadap nilai efisiensi sehingga hal ini dapat mempengaruhi besar kecilnya nilai efisiensi pembangkitan bubble, semakin besar nilai Hydraulic power akan menurunkan nilai efisiensi pembangkitan bubble.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Distribusi diameter bubble Pengujian debit air Gambar 3 merupakan Grafik Probability Density Function (PDF) yang menggambarkan probabilitas ukuran diameter bubble yang terbentuk.
Pada pengujian dengan debit udara yang dijaga konstan dan variasi debit air 40 Ae 60 lpm.
QG = 0.
1 lpm QG = 0.
3 lpm QG = 0.
5 lpm QG = 0.
7 lpm Gambar 3.
Probabilitas Distribusi diameter bubble pada debit air dan debit udara konstan TREnD - Technology of Renewable Energy and Development Luluk Fitri Yani et al / Seminar Nasional TREnD .
2023 96 - 104 Dari grafik menunjukkan bahwa kurva probabilitas ukuran diameter bubble tertinggi berada pada diameter 73 AAm.
Kenaikan debit air menyebabkan peningkatan nilai probabilitas diameter bubble yang ditandai dengan grafik yang semakin menyempit dan meruncing.
Penambahan debit air meningkatkan gaya turbulensi dan meningkatkan gaya inersia yang dapat memecah bubble berukuran besar menjadi bubble berukuran micro.
Pengujian debit udara Gambar 4.
merupakan grafik Probability Density Function (PDF) yang menggambarkan probabilitas ukuran diameter bubble yang terbentuk pada saat proses generasi bubble dengan debit air yang dijaga konstan dan variasi debit udara QG = 0.
1 Ae 0.
7 lpm QL = 40 lpm QL = 50 lpm QL = 60 lpm Gambar 4.
Probabilitas Distribusi diameter bubble pada debit udara dan debit air konstan Pada Gambar 4.
menunjukkan grafik kurva probabilitas ukuran bubble tertinggi berada pada diameter 73 AAm.
Kenaikan debit udara menyebabkan penurunan nilai probabilitas ukuran diameter bubble yang dapat dilihat pada grafik yang semakin rendah dan distribusi kurva yang lebih luas menandakan diameter bubble heterogen.
Kinerja microbubble generator venturi Pengaruh debit udara dan debit air terhadap pressure drop Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui besarnya nilai pressure drop pada variasi debit air dan debit udara.
Nilai pressure drop dihitung dengan menggunakan Persamaan .
TREnD - Technology of Renewable Energy and Development Luluk Fitri Yani et al / Seminar Nasional TREnD .
2023 96 - 104 Gambar 5.
Grafik rata-rata pressure drop dengan variasi debit air dan debit udara Gambar 5.
menunjukkan grafik rata-rata pressure drop dengan variasi debit air dari 40 Ae 50 lpm dan variasi debit udara dari 0.
1 - 0.
7 lpm.
Pada debit air konstan dengan variasi debit udara grafik yang dihasilkan cenderung tidak mengalami perubahan pressure drop hal ini dikarenakan debit udara yang digunakan sangat kecil, dan debit udara yang melewati microbubble generator venturi setengah dari microbubble generator venturi, sehingga nilai pressure drop relatif tidak mengalami perubahan.
Sedangkan pada kondisi debit udara konstan dengan variasi debit air dari 40 Ae 50 lpm terjadi kenaikan pressure drop yang signifikan seiring dengan kenaikan debit air.
Adapun penyebab debit air memiliki pengaruh yang signifikan terhadap pressure drop karena debit air memiliki lintasan 2 kali lebih panjang dari lintasan debit udara, peningkatan debit air menyebabkan kecepatan aliran air bertambah dan perubahan penampang lintasan fluida menyebakan terjadinya perubahan percepatan sehingga terjadi peningkatan nilai pressure drop, dan jika diperbandingkan rentang nilai debit air dan nilai debit udara yang cukup jauh yaitu QL = 10 lpm sedangkan QG = 0,1 lpm menjadikan pengaruh debit air lebih signifikan terhadap pressure drop dibandingkan dengan debit udara.
Pengaruh debit udara dan debit air terhadap hydraulic power Hydraulic power merupakan daya yang dibutuhkan untuk menghasilkan bubble.
Hydraulic power dihitung berdasarkan Persamaan .
Pada Gambar 6.
merupakan grafik hydraulic power pada variasi debit udara dan debit air konstan.
Pada debit air konstan dan debit udara divariasikan nilai hydraulic power cenderung tidak mengalami perubahan, hal ini menunjukkan bahwa variasi debit udara tidak terlalu signifikan mempengaruhi nilai hydraulic power.
Gambar 6 .
merupakan grafik hydraulic power dimana debit air divariasikan dengan debit udara konstan mengakibatkan nilai hydraulic power mengalami kenaikan seiring dengan peningkatan debit air.
Gambar 6.
Grafik hydraulic power pada variasi debit udara dan debit air konstan .
Grafik hydraulic power pada variasi debit air dan debit udara konstan TREnD - Technology of Renewable Energy and Development Luluk Fitri Yani et al / Seminar Nasional TREnD .
2023 96 - 104 Pengaruh debit air dan debit udara terhadap efisiensi pembangkitan bubble Efisiensi pembangkitan bubble () merupakan rasio antara energi yang digunakan untuk menghisap udara dengan energi yang digunakan untuk memecah udara menjadi gelembung mikro.
Efisiensi pembangkitan bubble dihitung dengan menggunakan persamaan .
Perhitungan dilakukan dengan memvariasikan debit air QL = 40 Ae 50 lpm dan debit udara QG = 0.
1 Ae 07 lpm.
Hasil dari perhitungan efisiensi pembangkitan bubble () dapat dilihat pada Gambar 8.
Gambar 8.
Grafik efisiensi pembangkitan bubble pada variasi debit udara dan debit air konstan Berdasarkan Gambar 8.
grafik efisiensi pembangkitan bubble menunjukkan terjadinya penurunan nilai efisiensi seiring dengan kenaikan debit air, namun terjadi peningkatan nilai efisiensi ketika debit udara dinaikkan.
Nilai efisiensi pembangkitan bubble ini dipengaruhi oleh besarnya hydraulic power, semakin besar nilai hydraulic power maka akan terjadi penurunan efisiensi pembangkitan bubble, sebaliknya ketika nilai hydraulic power kecil maka efisiensi pembangkitan bubble akan bertambah.
KESIMPULAN
Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan mengenai microbubble generator venturi dengan penambahan 3 baffle pada sisi inlet, yang ditinjau pada variasi debit air dan debit udara.
Distribusi ukuran diameter bubble yang dilakukan dengan menggunakan image processing hasilnya menunjukkan bahwa probabilitas bubble tertinggi berapa pada diameter 73 m.
Kenaikan debit air menyebabkan kurva probabilitas semakin meningkat dan distribusi bubble yang lebih seragam.
Kenaikan debit air menyebabkan terjadinya kenaikan nilai pressure drop dan peningkatan nilai hydraulic power serta menurunkan nilai efisiensi pembangkitan bubble.
UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada dosen pembimbing yang telah membantu dalam proses menyelesaikan penelitian ini.
DAFTAR NOTASI
= Pressure drop, kPa TREnD - Technology of Renewable Energy and Development Luluk Fitri Yani et al / Seminar Nasional TREnD .
2023 96 - 104
= Tekanan pada sisi inlet mcirobubble generator.
= Tekanan pada sisi outlet microbubble generator.
= Hydraulic Power, watt = Debit air, liter per menit .
= Debit udara, liter per menit .
= Efisiensi hidrolis = Masa jenis air, kg/m3 = Percepatan gravitasi, m/s2 = Kedalaman microbubble generator venturi, m
DAFTAR PUSTAKA