1

ANALISIS REDUKSI INTENSITAS KAVITASI PADA CONTROL VALVE AKIBATPRESSURE DROP DENGAN METODE PRESSURE RECOVERY FACTOR

DI VICO INDONESIA(Muhammad Muhtadi, DR. Bambang L. Widjiantoro, ST.MT, Hendra Cordova, ST.MT)

Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Keputih Sukolilo – Surabaya 60111

Abstrak

Kavitasi secara sederhana diartikan sebagai pembentukan uap dalam suatu aliran fluida akibatadanya pressure drop pada temperature konstan. Gelembung yang berjalan pada aliran sering digunakanuntuk memahami bentuk fisik kavitasi yang terjadi pada aliran fluida liquid. Ketika kebutuhan sistemmengharuskan control valve selalu berada pada performansi yang seharusnya atau bahkan meningkat maka,permasalahan kavitasi dan pengaruhnya menjadi permasalahan yang sangat penting. Untuk memudahkanpembelajaran dan pemahaman tentang pengaruh kavitasi dibuat simulasi aliran 3 dimensi atau 2 dimensipada control valve dengan menggunakan butterfly valve serta dialiri fluida dengan bukaan valve 30o, 45o,60o dan 90o. Didapatkan daerah kavitasi yang ditampakkan dalam kontu rdistribusi tekanan, kecepatanaliran dan nilai turbulence. Dengan prediksi adanya kavitasi dan pengaruhnya serta reduksi dengan melihatnilai pressure recovery factor dapat mengurangi dampak negative kavitasi yang mengakibatkan chockedflow, eros,i loss capacity pada control valve dan bising.

Kata kunci : Kavitasi, Butterfly Valve, Pressure Drop, Pressure Recovery Factor.

I. PENDAHULUAN

Secara sederhana kavitasi didefinisikansebagai pembentukan uap dalam suatu aliran fluidasebagai akibat turunnya tekanan pada saattemperature konstan, Kavitasi merupakan fenomenatak terhindarkan yang seringkali hanya bersifatsementara seperti saat – saat awal terbukanyacontrol valve dan Sizing Relief Valve. Dan jugamerupakan hal yang sangat penting, karenamemungkinkan terjadinya penurunan kapasitasaliran pada sistem, noise yang melebihi ambang,menyebabkan erosi dan kegagalan, bahkan untukbeberapa kasus yang sudah parah bisa menyebabkanrusak atau hancurnya suatu sistem. Ada beberapacara dalam menanggulangi fenomena kavitasi ini,diantaranya adalah dengan penentuan pressurerecovery factor (FL) yang sesuai yang di harapkandapat meningkatkan critical pressure drop,sehingga hal ini akan mengurangi intensitas kavitasiyang terjadi pada kontrol valve. Selain itu metodeini sangat sesuai dengan jenis kontrol valve yangakan dianalisa.

II. DASAR TEORIKavitasi merupakan fenomena yang dapat terjadipada control valve bila valve bekerja denganpressure drop yang relatif tinggi. Kavitasimerupakan proses dinamis. Dalam proses ini fluidamengalami penurunan tekanan hingga pada tekanan

uapnya sehingga akan timbul rongga (cavities)yang berisi uap. Jika pada control valve terjadikavitasi maka, diatas kisaran kritis tertentu akanterjadi pemecahan aliran yang terus meningkatdan hal ini akan menghambat aliran yang melaluicontrol valve. Kavitasi menyebabkan controlvalve tidak bisa bekerja pada kapasitas sepertiyang diinginkan, menimbulkan bising dan erosipada daerah vena contracta dan dinding,sedangkan parameter kavitasi yang terjadi padakontrol valve, tergantung daripada P1 yaitutekanan yang masuk, P2 yaitu tekanan yangkeluar dan Pv yaitu tekanan uap fluida, parameterkavitasi atau sering di sebut indeks kavitasidisimbolkan dengan yaitu thoma parameter initidak memiliki besaran tapi hanya meruppakanparameter untuk mengetahui intensitas terjadinyakavitasi pada suatu operasi control valve

= P1 - PV (1) P

P merupakan perubahan tekanan dan merupakankarakteristik geometri aliran. V disebut angkakavitasi uap. Dalam angka ini adalah tekananstatis, yaitu jumlah dari tekanan hidrostatis dantekanan atmosfir. Tekanan uap PV tidaktergantung pada suhu..

2

Ada banyak hal lain yang bisa menyebabkanmunculnya inti selain turunnya tekanan mencapaitekanan uap, seperti kandungan udara dalam air.Karena itu angka kavitasi didefinisikan sebagairasio antara selisih tekanan sekeliling yang absolutP dan rongga kavitasi P

cdengan tekanan dinamis

aliran bebas (free stream dynamic pressure).Kavitasi merupakan suatu hal yang penting

karena bisa mengurangi capasitas aliran dari suatusistem. Dapat menimbulkan gangguan diatasambang, menyebabkan erosi dan kegagalan, danlebih parah lagi untuk beberapa kasus menjadipenyebab ketidakstabilan yang mengarah padakerusakan atau hancurnya sistem.

Kavitasi seringkali merupakan sesuatu yangbersifat sementara dan merupakan gejala yang tidakbisa dihindari, seperti pada saat shut-off controlvalve terbuka pertama kali atau ketika systempengalami kondisi puncak ketinggian cairan yangmelewati control valve. Ketika melakukan sizingrelief valve dan sambungan dengan instalasi pipa,yang hampir dimaklumi sebagai keharusan terjadipenurunan aliran akibat kavitasi.

Gambar 1: Proses kavitasi pada control valve

Pressure recovery factor FL adalah perbandinganantara nilai teoritis discharge dan nilai aktualdischarge ketika aliran melewati control valve yangbergantung p bukaan valve ada tekanan di upstreamdan bentuk geometri, pada penentuan nilai tekanandi upstream dan bukaan valve pressure recoveryfactor ditentukan sebagai nilai maksimum agaraliran dapat mengalir melewati control valvedengan nilai tekanan upstream yang ada. Pressurerecovery factor adalah besaran yang tidak memilikidimensi satuan, dipengaruhi oleh besar aliran Q, CVkapasitas aliran valve, P1 tekanan masukan, dan PVtekanan uap fluida, Nilai ini tergantung padamasing-masing ukuran control valve dan bukaanpada kontrol valve semakin kecil nilainya dengansemakin besar bukaan valve, persamaanya adalahsebagai berikut:

(2)Cara penentuan pressure recovery factor FL adalahdengan menetukan kondisi aliran dari valve, padabuakaan tertentu, dengan menentukan tekanan padadownstream pada kondisi bukaan penuh.

Persamaan momentumPersamaan momentum tunggal mampumenyelesaikan keseluruhan dari daerah asal, danhasil kecepatan area yang didapat didistribusikanke fase satu dan dua. Persamaan momentumtergantung besarnya volume fraction seluruh fasedengan property dan :

(3)Model turbulen Spalart AllmarasModel turbulen spalart allmaras merupakanmodel yang terdiri satu persamaan sebagaipenyelesaian transport equation untuk viskositasturbulen. Model ini dipusatkan khususnya padalapisan batas sebagai pokok dan berlawan dengangradient tekanan. Pada awalnya model spallartalmaras merupakan model Reynold Number yangrendah. Dalam Model turbulen Spalart Allmarasvariable yang dipakai dalam persamaan transportadalah kekentalan turbulen kinematik t V~ kecualidaerah yang berada di dekat dinding, persamaantransport tersebut :

(4)Gv merupakan hasil dari kekentalan turbulen danYv merupakan kerusakan dari kekentalan turbulenyang terjadi di dekat dinding yang mengarah padablocking dan viscous damping.

III. METODE PENELITIANSecara umum metode simulasi digambarkandalam diagram alir berikut :

3

Gambar 2 : Flowchart tahapan simulasi

Pada tahap ini, data-data yang diperoleh pada tahappengumpulan data selanjutnya akan dilakukanpengolahan data secara kualitatif melalui simulasi2D/3D, dengan menggunakan software fluent 6.0serta memasukkan berbagai parameter yangmendukung simulasi

Gambar 3: Geometri control valve

Gambar 4: hasil meshing Geometri

IV. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN• Bukaan valve 90o

Gambar 5: Distribusi tekanan 90o

Daerah kavitasi pada control valve dengan bukaan90o terdapat pada bagian penampang disc, dimanadidaerah tersebut terlihat jelas adanya konturwarna biru muda yang menunjukkan bahwatekanan pada daerah tersebut dibawah tekanan uapfluida.• Bukaan valve 30o

Gambar 6 Distribusi tekanan 30o

Daerah kavitasi pada bukaan valve 30o

terdapat pada hampir semua bagian daerah bagiansebelah kanan disc, hal ini dapat dipahami karenaadanya bukaan valve yang relatif kecil pada disc

Ya

Tidak

Mulai

Datasifatfisik

Pembuatan geometri& meshing

Pendefinisian bidangbatas pada geometri

Memeriksa mesh

Proses numerik

Penentuankondisi batas

Selesai

Meshbaik?

Iterasieror?

Plot distribusitekanan ,dll

Ya

Tidak

4

hingga menurunkan tekanan statik danmeningkatkan kecepatan secara tiba-tiba.• Bukaan valve 45o

Gambar 7: Distribusi tekanan 45o

Daerah kavitasi pada bukaan valve 45o terdapatpada ujung bagian disc, daerah dinding bagian atas,dan daerah saat akan mendekati panampang pipaakhir, hal ini dapat diketahui karena adanya konturwarna kuning dan sebagian biru yang menandakanbahwa kavitasi terjadi pada daerah tersebut

• Bukaan valave 60o

Gambar 4.24 Distribusi tekanan 60o

Daerah kavitasi pada buakaan valve 45o

terjadi pada daerah setelah melewati disc yang ditunjukkan oleh warna biru dimana pada penjelasansebelumnya pada kontur kecepatan diketahui bahwakecepatan setelah melewati disc bertambah secaradrastis terutama pada ujung disc.Perhitungan Hasil Simulasi

Perhitungan dilakukan untuk mengetahuisecara numerik nilai dari kondisi oporasi Controlvalve, berdasarakan geometri dan visualisasi hasilsimulasi, diantaranya :• Bukaan valve 90o

Diameter Pipa (D) = 6 inci (0.1524 m)Luas Penampang Pipa (A) = 0.01838 m2

Kecepatan Aliran (V) = 90 m/sTekanan inlet ( P1) = 96 psiTekanan Outlet (P2) = 77 psiTekanan Uap Fluida (PV) = 32.08 psiDebit Aliran (Q) = V.A = 1.654 m3/s = 523,8 gpm

Valve Capacity (CV) = = 120.13

Indeks Kavitasi ( ) = = = 3.36

Pressure Recovery Factor (FL) = = 0.5

= 1.41

• Bukaan valve 30o

Diameter Pipa (D) = 6 inci (0.1524 m)Luas Penampang Pipa (A) = 0.01838 m2

Kecepatan Aliran (V) = 93.9 m/sTekanan inlet ( P1) = 90 psiTekanan Outlet (P2) = 36.2 psiTekanan Uap Fluida (PV) = 32.08 psiDebit Aliran (Q) = V.A = 1.726 m3/s = 546.5 gpm

Valve Capacity (CV) = = = 74.6

Indeks Kavitasi ( ) = = 1.07

Pressure Recovery Factor (FL) = = .96

= 1.02

• Bukaan valve 45o

Diameter Pipa (D) = 6 inci (0.1524 m)Luas Penampang Pipa (A) = 0.01838 m2

Kecepatan Aliran (V) = 199 m/sTekanan inlet ( P1) = 102 psiTekanan Outlet (P2) =20.5 psiTekanan Uap Fluida (PV) = 32.08 psiDebit Aliran (Q) = V.A = 3.65 m3/s = 1158.36gpmValve Capacity (CV) = = 128.42

Indeks Kavitasi ( ) = = 0.86

Pressure Recovery Factor (FL) = = 1.1

= 0.95

• Bukaan valve 60o

Diameter Pipa (D) = 6 inci (0.1524 m)Luas Penampang Pipa (A) = 0.01838 m2

Kecepatan Aliran (V) = 300 m/sTekanan inlet ( P1) = 79.1 psiTekanan Outlet (P2) =5.97 psiTekanan Uap Fluida (PV) = 32.08 psiDebit Aliran (Q) = V.A = 5.514 m3/s = 1746.28gpmValve Capacity (CV) = = 204.24

Indeks Kavitasi ( ) = = 0.64

5

Pressure Recovery Factor (FL) = =1.24

= 0.89

V. KESIMPULAN DAN SARANKesimpulan

Dari hasil penelitian dan analisa data hasilsimulasi pada butterfly control valve, dapat diambilbeberapa kesimpulan, antara lain :• Tugas akhir ini berhasil melakukan simulasi aliran2 dimensi atau 3 dimensi pada butterfly valve danmelakukan prediksi pengaruh kavitasi pada butterflyvalve.• Daerah kavitasi terjadi:pada aliran dengan bukaan valve 900 terjadi padabagian penampang atas dan bawah disc.pada pada aliran dengan bukaan valve 30o terjaditerdapat pada hampir semua bagian daerah bagiansebelah kanan disc..pada pada aliran dengan bukaan valve 45o terjadipada ujung bagian disc, daerah dinding bagian atas,dan daerah saat akan mendekati panampang pipaakhir.pada pada aliran dengan bukaan valve 60o terjadipada daerah setelah melewati disc.

• Kavitasi dapat direduksi dengan memperbesarnilai pressure recovery factor dan meningkatkannilai indeks kavitasi.• Pengaruh kavitasi pada butterfly valve antara lain:Menyebabkan Erosi pada disc dan dinding, danMenyebabkan Efisiensi control valve berkurangsebagai akibat dari Fluida yang Heterogen,pemecahan aliran, Blockage Effect, dan Porositasserta turunannya.

Saran Saran yang diberikan untuk pengembanganlebih lanjut dari tugas akhir ini adalah:• Melakukan simulasi dinamik dengan model yangsama untuk mengetahui proses perjalanangelembung kavitasi• Melakukan percobacaan menggunakan modelcontrol valve dengan tipe lainya.• Lebih memfokuskan penelitian pada proses awalmulai terjadinya kavitasi.

6

DAFTAR PUSTAKA

1. Firmansyah, Aditya, 2006, analisapengaruh kavitasi aliran duafase pada cascade pompa axialdengan menggunakan simulasinumerik, Teknik Fisika ITS,Surabaya

2. Emerson, 2005, Control valve handbookfourth edition, Fisher ControlsInternational LLC,Marshalltown, Iowa USA

3. Gunawan Nugroho.,2005. “ Studi Numerikdan Eksperimental Aliran 3-Dpada Kombinasi Airfoil/PelatDatar dengan Variasi LowerSurface dan PengaruhClearance,” LaboratoriumKonversi Energi danPengkondisian LingkunganJurusan Teknik Fisika FTI-ITS

4. Department of Energy, 2003, Fundamentalhandbook mechanical sciencefourth module ”valve”,__________, DOE Handbook,

5. SAMSON AG, 2003, Technicalinformation part 3” Cavitationin control valve”, SAMSON,Frankfurt.

6. Ph. Couty, M. Farhat, and F. Avellan,2001, Phisical investigation ofcavitation vortex collaps,

Institute of Technology ofLausanne. Switzerland.

7. Masoneilan, 2000, control valve sizeinghandbook, DresserEquipment Group, Inc..

8. Backer, Roger C, 2000, FlowMeasurement HandBook,Canbridge University Press, .NewYork USA,

9. API RP520, 2000, Sizing, Selection, andInstallation of Pressure-Relieving Devices inRefineries, AmeircanPetroleum Institute.Washington DC.

10. ANSI/ISA S75.01, 1994, DraftRecommended Practice, FlowEquations for Sizing ControlValves, Instrument Society ofAmerica, Triangle Park NC..

11. Yan Kuhn de Chizclit, 1992,International symposium onpropeller and cavitation,Proceding of the secondinternationalsymposium.Hangzhou china,September,

12.Flowserve Corporation, 1978,Instrument Engineer'sHandbook for DURCOQuarter-turn Control Valves,Flowserve Corporation FlowControl Division,Cookeville,TN

7

BIODATA

Nama :Muhammad MuhtadiTTL :Gresik, 25 Desember 1985Alamat : Keputih Gg III/30 Surabaya

Pendidikan :• SD Muhammadiyah 1 Gresik 1992-1998• SLTP Muhammadiyah 10 Gresik 1998-2001• SMUN 1 Sidayu Gresik 2001-2004• T. Fisika FTI – ITS 2004- Sekarang