BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 A II LANASAN TEORI. MICRO ULE GENERATOR Micro ubble Generator (MG) aalah suatu alat yang berfungsi untuk menghasilkan gelembung uara i alam air engan ukuran iameter kurang ari 00 µm. Micro bubble apat ihasilkan engan beberapa metoa engan karakteristik yang berbea-bea. Metoa tersebut antara lain engan elektrolityc microbubble generator, porous plate (PP), ventury tube type bubble generator, an spherical boy in a flowing water tube. Pemanfaatan ari teknologi micro bubble ini telah meluas ke berbagai biang inustri. Paa inustri perikanan alat ini igunakan untuk meningkatkan kaar oksigen paa tambak atau kolam. Manfaat lain aalah untuk meningkatkan kualitas air yang terpolusi buangan limbah pabrik. i unia keokteran teknologi micro bubbles mulai imanfaatkan untuk meniagnosa luka yang iakibatkan oleh kanker, engan cara menyuntikkan gelembung tersebut melalui perearan arah. i biang perkapalan, MG engan metoe elektrolisis igunakan untuk mengurangi efek gesekan antara ining lambung kapal engan air laut (fricional rag reuction) sehingga pergerakan kapal menjai lebih efesien. Paa kehiupan sehari-hari, MG suah mulai iperkenalkan untuk i pasang paa bath up kamar mani, karena gelembung mikro yang ihasilkannya apat melakukan penetrasi ke alam permukaan kulit sehingga memberikan efek gosokan yang baik tanpa harus menggunakan sabun... Prinsip Kerja MG Metoe Spherical all Prinsip kerja utama ari MG metoe spherical ball aalah menciptakan bea tekanan antara tekanan uara luar engan tekanan fluia alam pipa sampai titik tekanan vakum sehingga uara (gas) terhisap masuk kealam aliran fluia melalui lubang-lubang kecil paa ining pipa. Secara lebih jelas konstruksi ari alat ini apat ilihat paa gambar.. Apabila suatu aliran fluia bertekanan ialirkan melalui pipa tersebut maka akan

2 terjai pertambahan kecepatan partikel fluia paa saat melewati aerah sekitar bola, pertambahan kecepatan ini ikarenakan penyempitan penampang saluran oleh bola an pertambahan panjang lintasan partikel fluia saat menyusuri permukaan bola. Kecepatan tertinggi terjai paa aerah puncak bola. erasarkan persamaan massa an energi (persamaan ernoulli), peningkatan kecepatan aliran akan iikuti engan penurunan tekanan sehingga aerah sekitar puncak bola memiliki tekanan lebih renah ari paa aerah inlet pipa. Apabila tekanan ialam pipa lebih renah ibaningkan engan tekanan atmosfer, maka uara secara otomatis akan terhisap kealam aliran fuia, melalui lubang lubang kecil paa Test Section yaitu aerah yang bertekanan renah. ikarenakan aliran yang terjai paa aerah ownstream aalah turbulen an terapat tegangan geser, uara yang masuk tersebut akan terpecah menjai microbuble engan jumlah yang sangat banyak. Micro ubble Uara Terhisap Gambar.. Konstruksi Micro ubble Generator Type Spherical all Ilustrasi i atas menggambarkan aliran air bertekanan masuk ari sisi inlet pipa. Aliran air akan bertambah kecepatannya saat melewati bola karena penyempitan penampang aliran an pertambahan panjang lintasan partikel air saat menyusuri ining bola. Pertambahan kecepatan menyebabkan tekanan isekitar bola menurun an lebih renah ari tekanan uara luar, sehingga uara

3 luar terhisap masuk melalui lubang intake isekitar bola an membentuk gelembung-gelembung kecil yang keluar ari sisi outlet pipa.. TEORI MEKANIKA FLUIA Mekanika fluia aalah ilmu yang mengkaji perilaku ari zat-zat cair an gas alam keaaan iam ataupun bergerak. Secara khusus, fluia iefinisikan sebagai zat yang bereformasi secara terus-menerus selama ipengaruhi suatu tegangan geser. Tegangan geser terbentuk oleh gaya tangensial yang bekerja paa sebuah permukaan. anyak kriteria yang igunakan untuk mengklasifikasikan aliran fluia. Sebagai contoh; aliran apat igolongkan sebagai aliran steay an unsteay, satu ua atau tiga imensi, aliran compressible atau incompressible, an salah satu klasifikasi yang terpenting aalah klasifikasi yang menggolongkan apakah aliran itu laminar atau terbulen... Aliran Viskos alam Pipa Perbeaan utama antara saluran tertutup an terbuka aalah : mekanisme asar yang menggerakkan fluia (a) untuk aliran tertutup, gravitasi mungkin memiliki arti penting jika pipa tiak horizontal, namun gaya penggerak utamanya aalah graien tekanan sepanjang pipa. Jika pipa tiak terisi penuh, tk mungkin untuk menjaga perbeaan tekanan, p-p. (b) untuk saluran terbuka, hanya gravitasi yang menjai gaya penggeraknya Gambar. (a) Aliran Pipa. (b) Aliran kanal-terbuka []

4 Saluran pipa tertutup lebih sering igunakan aplikasinya alam biang mechanical engineering. Misalnya sistim pamipaan alam jaringan transportasi pertambangan minyak. Seangkan untuk saluran pipa terbuka lebih sering igunakan paa biang civil engineering... Aliran Laminar an Turbulen Aliran fluia i alam sebuah pipa mungkin merupakan aliran laminar atau turbulen. Osborne Reynols (84-9), ilmuwan an ahli matematika Inggris, aalah orang yang pertama kali membeakan ua klasifikasi aliran ini engan menggunakan sebuah peralatan seerhana seperti paa ilustrasi gambar ibawah. Sifat-sifat laminar an turbulen ini apat iamati engan menginjeksikan zat pewarna yang mengambang alam sebuah pipa beraliran seperti itunjukkan paa gambar. Untuk laju aliran yang cukup kecil guratan zat pewarna (sebuah garisgurat) akan tetap berupa garis yang terlihat jelas selama mengalir, engan hanya seikit saja menjai kabur karena ifusi molekuler ari zat pewarna ke air i sekelilingnya. Untuk suatu laju aliran seang yang lebih besar, guratan zat pewarna berfluktuasi menurut waktu, ruang an olakan putus-putus engan perilaku tak beraturan muncul i sepanjang guratan. Sementara itu, untuk laju aliran yang cukup besar guratan zat pewarna akan segera kabur an menyebar i seluruh pipa engan pola yang acak. Ketiga karakteristik ini, yang masing-masing isebut sebagai aliran laminar, transisi an turbulen. isa isebut juga aliran turbulen icirikan ari aanya ketiakteraturan lokal alam mean aliran yang ipengaruhi oleh sifat-sifat mekanik seperti kecepatan, tekanan atau temperatur.

5 Gambar. ilustrasi jenis aliran []. Salah satu parameter tak berimensi yang biasanya juga igunakan untuk mensifati tipe aliran aalah bilangan Reynols (Re), Re aalah perbaningan antara efek inersia an viskos alam aliran. ari hasil analisa, apat iketahui bahwa aliran paa pipa tergantung terhaap angka Reynols (Reynols number), R e V... [.] [] imana V aalah kecepatan rata-rata i alam pipa. Artinya, aliran i alam sebuah pipa aalah laminar, transisi atau turbulen jika bilangan Reynolsnya Cukup kecil, Seang atau Cukup esar ; aalah iameter alam pipa. Jika R e 00 biasanya Aliran bersifat Laminar. Jika 00 R e 4000 biasanya Aliran bersifat Transisi, sifat aliran engan bilangan Reynols iantara keua batas ini mungkin berubah ari keaaan Laminar menjai Turbulen engan perilaku acak yang jelas. an jika R e 4000 biasanya Aliran bersifat Turbulen... aerah Masuk an Aliran erkembang Penuh Setiap fluia yang mengalir alam sebuah pipa harus memasuki pipa paa suatu lokasi. aerah aliran i ekat lokasi fluia memasuki pipa isebut sebagai aerah masuk (entrance region) an iilustrasikan paa gambar ibawah ini.

6 Gambar.4 aerah aliran seang berkembang an aliran berkembang penuh []. Aliran i aerah masuk sebuah pipa sangat kompleks, fluia biasanya memasuki pipa engan profil kecepatan yang hampir seragam paa bagian (). Paa saat fluia mulai bergerak melewati pipa, efek viskos menyebabkannya tetap menempel paa ining pipa (konisi lapisan batas tanpa slip). Hal ini berlaku jika fluianya aalah uara yang relatif invisci ataupun minyak yang sangat viskos. Jai, sebuah lapisan batas (bounary layer) imana efek viskos menjai penting timbul i sepanjang ining pipa seemikian hingga profil kecapatan awal berubah menurut jarak sepanjang pipa x, sampai fluia mencapai ujung akhir ari panjang aerah masuk, bagian (), imana setelah i luar itu profil kecepatan tiak berubah lagi menurut x. Lapisan batas telah tumbuh ketebalannya sehingga memenuhi pipa secara menyeluruh. Efek viskos sangat penting i alam lapisan batas. Untuk fluia i luar lapisan batas [i alam inti invisci (invisci core) yang mengelilingi garis sumbu ari () an ()], efek viskos apat iabaikan. entuk ari profil kecepatan i alam pipa an panjang aerah masuk ( e ) tergantung paa tipe aliran, apakah aliran tersebut laminar atau turbulen. berimensi, Seperti paa banyak sifat lainnya ari aliran pipa, panjang masuk tak e /, berkolerasi cukup baik engan bilangan Reynols. Panjang masuk paa umumnya iberikan hubungan :

7 e 0,06 Re... [.] [] (untuk aliran laminar) an e / 6 4,4 (Re)... [.] (untuk aliran turbulen) Untuk aliran-aliran engan bilangan Reynols Sangat renah panjang masuk apat sangat penek ( = 0,6 jika Re = 0), sementara untuk aliran-aliran e engan bilangan Reynols besar aerah masuk tersebut apat sepanjang berkalikali iameter pipa sebelum ujung akhir ari aerah masuk icapai ( e = 0 untuk Re = 000). Untuk banyak masalah-masalah teknik praktis 0 4 < Re < 0 5 sehingga 0 < e < 0. Perhitungan profil kecepatan an istribusi tekanan i alam aerah masuk sangat rumit. Namun, apabila fluia telah mencapai ujung akhir ari aerah masuk, bagian () ari gambar i atas, aliran lebih muah igambarkan karena kecepatan hanyalah fungsi jarak ari sumbu pipa, r, an tiak tergantung paa x. Hal ini berlaku sampai sifat ari pipa berubah karena sesuatu hal, misalnya perubahan iameter, atau sampai fluia mengalir melalui sebuah belokan, katup, atau komponen lainnya paa bagian (). Aliran antara () an () isebut berkembang penuh (fully evelope). Setelah gangguan atas aliran berkembang penuh [paa bagian (4)], aliran secara bertahap mulai kembali ke sifat berkembang penuhnya [bagian (5)] an terus engan profil ini sampai komponen pipa berikutnya icapai [bagaian (6)]. alam banyak kasus pipa cukup panjang sehingga terapat panjang aliran berkembang penuh yang lebih besar ibaningkan engan panjang aliran yang seang berkembang...4 Persamaan ernoulli

8 Pressure rop alam penulisan Tugas Akhir kali ini, persamaan ernoulli imanfaatkan untuk menapatkan pressure rop (penurunan tekanan), agar apat memanfaatkan perbeaan tekanan untuk menyeot uara. Perhitungan ilakukan paa sebuah aliran air i pipa, engan bola terapat ialamnya sesuai engan ilustrasi paa Gambar, sehingga formula untuk perhitungan pressure rop aalah ; Persamaan asar ernoulli [] : P V Z. g P V Z. g Asumsi Z = Z ; an g = 0 m/s..[.4] P. g V. g P. g V. g V. g V. g P. g P. g V V. g P P. g V P ( V V 0 V ) P P P Jai persamaan pressure rop aalah : ( V V ).0000 P P... [.5] 0 ari persamaan tersebut apat iketahui bahwa tekanan paa iameter kecil yang tepat beraa i tengah tengah puncak bola akan lebih kecil aripaa tekanan atmosfer, hal ini berakibat uara luar akan terhisap masuk kealam pipa. Aliran incompressible Untuk perhitungan kecepatan aliran uara, harus iperhatikan bahwa sifat uara aalah tak mampu mampat (incompressible). Sehingga persamaan ernouli

9 iturunkan engan mempertimbangakan sifat fluia gas yang secara umum mempunyai (massa jenis) tiak konstan. Untuk aliran ari suatu gas sempurna yang tunak, invisci an isothermal, persamaan menjai : p V p RT p RT v p RT g gz C.[.6], iamana T aalah konstan gz C v RT v Ln( p) z Ln( p ) z g g g v g v g RT g Ln( p ) RT g Ln( p ) z z v v g g RT g p Ln( p ) z z [.7] Untuk aliran uara engan kecepatan renah (bilangan Mach kurang ari 0,), efek incompressibilitas apat iabaikan an penurunan persamaan ernoulli sama engan fluia compressible...5 PENGUKURAN TEKANAN Tekanan (pressure) inyatakan sebagai gaya per satuan luas. engan emikian, satuan tekanan sama engan tegangan (stress), an paa umumnya tekanan apat ianggap sebagai sejenis tegangan juga. Tekanan absolut (absolute pressure) iukur relatif terhaap suatu keaaan hampa sempurna (tekanan nol mutlak), atau gaya per satuan luas yang bekerja paa ining penampung fluia. Tekanan relatif atau tekanan pengukuran (gage pressure) aalah selisih antara tekanan absolut an tekanan atmosfer setempat. Tekanan mutlak selalu positif, tetapi tekanan pengukuran apat positif maupun negatif, tergantung paa apakah tekanan tersebut i atas tekanan atmosfer (bernilai positif) atau ibawah tekanan atmosfer (bernilai negatif). Sebuah tekanan negatif isebut juga sebagai tekanan hisap atau hampa. Misalnya, tekanan mutlak

10 0 psi (abs0 apat inyatakan sebagai pengukuran -4,7 psi (gage), jika tekanan atmosfer setempat aalah 4,7 psi, atau engan cara lain inyatakan sebagai tekanan hisap 4,7 psi atau tekanan hampa 4,7 psi. Gambar.5 Grafik tekanan pengukuran an tekanan mutlak [] Pengukuran tekanan atmosfer biasanya ilakukan engan sebuah barometer air raksa, yang bentuk paling seerhananya teriri ari sebuah tabung gelas tertutup paa satu ujungnya an ujung terbukan lainnya tercelup alam sebuah bejana berisi penuh engan air raksa seperti itunjukan paa gambar.6 Tabung tersebut mulai iisi penuh engan air raksa (paa posisi terbalik engan sisi terbukanya menghaap ke atas) an kemuian iputar ke bawah (ujung terbuka ke bawah) sehingga ujung terbuka ialam bejana air raksa. Ketinggian kolom air raksa akan mencapai suatu posisi kesetimbangan i mana beratnya itambah engan gaya akibat tekanan uap (yang terbentuk paa ruang i atas kolom) mengimbangi gaya karena tekanan atmosfer. Jai P h atm P uap..[.8] i mana aalah berat jenis air raksa. Untuk kebanyakan tujuan praktis, pengaruh tekanan uap apat iabaikan karena nilainya sangat kecil [untuk air raksa P uap 0,0000lb / in. (abs) paa temperatur o F 68. Ini merupakan cara yang konvensional untuk menyatakan tekanan atmosfer engan ketinggian h alam milimeter atau inci air raksa. Perlu icatat jika air igunakan sebagai pengganti air raksa, maka ketinggian kolom akan mencapai kira-kira 4 ft, ibaningkan engan air raksa yang hanya 9,9 in. Konsep barometer air raksa iciptakan oleh Evangelista Rorricelli paa tahun 644.

11 Gambar.6 arometer air raksa []...6 Pembentukan Gelembung (ubble Formation) [5]. Pembentukan gelembung itentukan oleh banyak parameter seperti terlihat paa persamaan i bawah ini yang iusulkan oleh Salvatore Cesar Pais [5]. = ƒ(σ, c,, c,, P, N, U LS, Q, g).[.9] imana : σ = Tegangan permukaan air c c P N U LS Q G = Viskositas inamik air = Viskositas inamik uara = ensitas air = ensitas uara = iameter pipa = iamater nozzle = Superficial liqui velocity = ebit uara = Percepatan gravitasi

12 Y U P U LS Q X P Gambar.7 iagram skematik pembentukan gelembung Gaya yang bekerja paa pembentukan gelembung aalah : Gaya apung (ouyanncy Force) (F ) Gaya tegangan permukaan cairan (Surface Tension Force) (Fσ) Momentum flux uara (Inersia Force) (F ) Gaya seret (rag Force) (F ) ari hukum Newton keua mengenai gerak, paa pembentukan gelembung berlaku persamaan gaya yaitu : F + F M + Fσ + F + F + = 0..[.0] Persamaan ini berlaku baik untuk gelembung bergerak baik paa air yang iam atau air yang mengalir. Gaya tersebut yaitu. Gaya Apung (ouyant Force) (F ) F = ( c - ) g V [.] imana: c = ensitas air = ensitas uara

13 G = Percepatan gravitasi bumi V. Momentum Flux (F M ) F imana : M Q N = Volume Gelembung Q [.] N 4 = ensitas uara = ebit uara = iameter nozzle. Gaya Tegangan Permukaan (Fσ) Fσ = σ N.[.] imana ; σ = Tegangan Permukaan air N 4. Gaya Inersia (F I ) = iameter Nozzle F I t s s V CVCMC U LS [.4] t t t imana: c gaya inersia bubble C MC V = ensitas air = ensitas uara gaya inersia air = Koefisien pertambahan massa air = volume gelembung s = U = kecepatan pusat bubble ari nozzle t U LS 5. gaya Seret (F ) F imana : C W = Kecepatan superficial liqui S CW CU A.[.4] = Koefisien rag pengaruh ari ining pipa

14 c U A S = ensitas air = Kecepatan efektif gelembung = (s/t) - U LS = Luas frontal gelembung = Nilai variable = + jika U < 0 = - jika U > 0 C C C MC W * ( t) C * 4 untuk Re < Re 8,5 C untuk Re 500 Re 0,6 C 0,44 untuk 500 Re 000 Re A A * CU C t untuk U > 0 4 t N untuk U < 0 4 P Paa pembentukan gelembung seperti terlihat paa gambar keseimbangan gaya aalah sebagai berikut : gaya F an F I berlawanan arah engan gaya F + F M + F. Gaya-gaya F + F M + F aalah gaya paa gelembung yang bergerak vertical keatas permukaan air. Gaya F an F I aalah gaya yang menahan atau menghambat gelembung untuk bergerak ke atas permukaan air. Sehingga persamaan i atas menjai :

15 F + F M + F = F + F I N c W N c U A C S Q g 4 6 P c U t 6...[.5] Pembentukan gelembung (bubble) teriri ari tahap :. Tahap pengembangan (Expansion Stage).. Tahap pelepasan (etachment Stage). Selama tahap pengembangan, gelembung mengembang ke arah raial sebagai hasil ari injeksi gas, melalui nosel tunggal, imana jejak pembentukan gelembung empet paa ujung nosel. Paa akhir tahap ekspansi itentukan oleh besarnya gaya yang melepaskan an menahan paa gaya-gaya keseimbangan. Selama tingkat ekspansi yaitu : t t t s t V 6 Persamaan gaya keseimbangan paa akhir tahap ekspansi : N LS c W N c U t t A C S Q g 4 6 LS MC c U t t t C t t t t [.6] Tahap pelepasan terjai karena gelembung menapatkan injeksi uara yang terusmenerus sehingga volume gelembung bertambah an akhirnya terlepas. Jai volume gelembung selama tahap pelepasan yaitu : t Q V E 6...[.7]