ANALISIS REDUKSI INTENSITAS KAVITASI PADA CONTROL VALVE AKIBAT PRESSURE 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 akibat adanya pressure drop pada temperature konstan. Gelembung yang berjalan pada aliran sering digunakan untuk memahami bentuk fisik kavitasi yang terjadi pada aliran fluida liquid. Ketika kebutuhan sistem mengharuskan control valve selalu berada pada performansi yang seharusnya atau bahkan meningkat maka, permasalahan kavitasi dan pengaruhnya menjadi permasalahan yang sangat penting. Untuk memudahkan pembelajaran dan pemahaman tentang pengaruh kavitasi dibuat simulasi aliran 3 dimensi atau 2 dimensi pada 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, kecepatan aliran dan nilai turbulence. Dengan prediksi adanya kavitasi dan pengaruhnya serta reduksi dengan melihat nilai pressure recovery factor dapat mengurangi dampak negative kavitasi yang mengakibatkan chocked flow, eros,i loss capacity pada control valve dan bising. Kata kunci : Kavitasi, Butterfly Valve, Pressure Drop, Pressure Recovery Factor.
uapnya sehingga akan timbul rongga (cavities) yang berisi uap. Jika pada control valve terjadi kavitasi maka, diatas kisaran kritis tertentu akan terjadi pemecahan aliran yang terus meningkat dan hal ini akan menghambat aliran yang melalui control valve. Kavitasi menyebabkan control valve tidak bisa bekerja pada kapasitas seperti yang diinginkan, menimbulkan bising dan erosi pada daerah vena contracta dan dinding, sedangkan parameter kavitasi yang terjadi pada kontrol valve, tergantung daripada P1 yaitu tekanan yang masuk, P2 yaitu tekanan yang keluar dan Pv yaitu tekanan uap fluida, parameter kavitasi atau sering di sebut indeks kavitasi disimbolkan dengan yaitu thoma parameter ini tidak memiliki besaran tapi hanya meruppakan parameter untuk mengetahui intensitas terjadinya kavitasi pada suatu operasi control valve
I. PENDAHULUAN Secara sederhana kavitasi didefinisikan sebagai pembentukan uap dalam suatu aliran fluida sebagai akibat turunnya tekanan pada saat temperature konstan, Kavitasi merupakan fenomena tak terhindarkan yang seringkali hanya bersifat sementara seperti saat – saat awal terbukanya control valve dan Sizing Relief Valve. Dan juga merupakan hal yang sangat penting, karena memungkinkan terjadinya penurunan kapasitas aliran pada sistem, noise yang melebihi ambang, menyebabkan erosi dan kegagalan, bahkan untuk beberapa kasus yang sudah parah bisa menyebabkan rusak atau hancurnya suatu sistem. Ada beberapa cara dalam menanggulangi fenomena kavitasi ini, diantaranya adalah dengan penentuan pressure recovery factor (FL) yang sesuai yang di harapkan dapat meningkatkan critical pressure drop, sehingga hal ini akan mengurangi intensitas kavitasi yang terjadi pada kontrol valve. Selain itu metode ini sangat sesuai dengan jenis kontrol valve yang akan dianalisa.
= P1 - PV P
(1)
P merupakan perubahan tekanan dan merupakan karakteristik geometri aliran. V disebut angka kavitasi uap. Dalam angka ini adalah tekanan statis, yaitu jumlah dari tekanan hidrostatis dan tekanan atmosfir. Tekanan uap PV tidak tergantung pada suhu..
II. DASAR TEORI Kavitasi merupakan fenomena yang dapat terjadi pada control valve bila valve bekerja dengan pressure drop yang relatif tinggi. Kavitasi merupakan proses dinamis. Dalam proses ini fluida mengalami penurunan tekanan hingga pada tekanan
1
Ada banyak hal lain yang bisa menyebabkan munculnya inti selain turunnya tekanan mencapai tekanan uap, seperti kandungan udara dalam air. Karena itu angka kavitasi didefinisikan sebagai rasio antara selisih tekanan sekeliling yang absolut P dan rongga kavitasi Pc dengan tekanan dinamis aliran bebas (free stream dynamic pressure). Kavitasi merupakan suatu hal yang penting karena bisa mengurangi capasitas aliran dari suatu sistem. Dapat menimbulkan gangguan diatas ambang, menyebabkan erosi dan kegagalan, dan lebih parah lagi untuk beberapa kasus menjadi penyebab ketidakstabilan yang mengarah pada kerusakan atau hancurnya sistem. Kavitasi seringkali merupakan sesuatu yang bersifat sementara dan merupakan gejala yang tidak bisa dihindari, seperti pada saat shut-off control valve terbuka pertama kali atau ketika system pengalami kondisi puncak ketinggian cairan yang melewati control valve. Ketika melakukan sizing relief valve dan sambungan dengan instalasi pipa, yang hampir dimaklumi sebagai keharusan terjadi penurunan aliran akibat kavitasi.
Persamaan momentum Persamaan momentum tunggal mampu menyelesaikan keseluruhan dari daerah asal, dan hasil kecepatan area yang didapat didistribusikan ke fase satu dan dua. Persamaan momentum tergantung besarnya volume fraction seluruh fase dengan property dan :
(3) Model turbulen Spalart Allmaras Model turbulen spalart allmaras merupakan model yang terdiri satu persamaan sebagai penyelesaian transport equation untuk viskositas turbulen. Model ini dipusatkan khususnya pada lapisan batas sebagai pokok dan berlawan dengan gradient tekanan. Pada awalnya model spallart almaras merupakan model Reynold Number yang rendah. Dalam Model turbulen Spalart Allmaras variable yang dipakai dalam persamaan transport adalah kekentalan turbulen kinematik t V~ kecuali daerah yang berada di dekat dinding, persamaan transport tersebut :
(4) Gv merupakan hasil dari kekentalan turbulen dan Yv merupakan kerusakan dari kekentalan turbulen yang terjadi di dekat dinding yang mengarah pada blocking dan viscous damping. Gambar 1: Proses kavitasi pada control valve
III. METODE PENELITIAN Secara umum metode simulasi digambarkan dalam diagram alir berikut :
Pressure recovery factor FL adalah perbandingan antara nilai teoritis discharge dan nilai aktual discharge ketika aliran melewati control valve yang bergantung p bukaan valve ada tekanan di upstream dan bentuk geometri, pada penentuan nilai tekanan di upstream dan bukaan valve pressure recovery factor ditentukan sebagai nilai maksimum agar aliran dapat mengalir melewati control valve dengan nilai tekanan upstream yang ada. Pressure recovery factor adalah besaran yang tidak memiliki dimensi satuan, dipengaruhi oleh besar aliran Q, CV kapasitas aliran valve, P1 tekanan masukan, dan PV tekanan uap fluida, Nilai ini tergantung pada masing-masing ukuran control valve dan bukaan pada kontrol valve semakin kecil nilainya dengan semakin besar bukaan valve, persamaanya adalah sebagai berikut: (2) Cara penentuan pressure recovery factor FL adalah dengan menetukan kondisi aliran dari valve, pada buakaan tertentu, dengan menentukan tekanan pada downstream pada kondisi bukaan penuh.
2
Pembuatan geometri & meshing
Mulai
Pendefinisian bidang batas pada geometri
Memeriksa mesh
Mesh baik?
Tidak
Gambar 4: hasil meshing Geometri
Ya
Data sifat fisik
IV. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN • Bukaan valve 90o Penentuan kondisi batas
Proses numerik
Ya Iterasi eror?
Gambar 5: Distribusi tekanan 90o
Tidak Plot distribusi tekanan ,dll
Daerah kavitasi pada control valve dengan bukaan 90o terdapat pada bagian penampang disc, dimana didaerah tersebut terlihat jelas adanya kontur warna biru muda yang menunjukkan bahwa tekanan pada daerah tersebut dibawah tekanan uap fluida. • Bukaan valve 30o
Selesai
Gambar 2 : Flowchart tahapan simulasi Pada tahap ini, data-data yang diperoleh pada tahap pengumpulan data selanjutnya akan dilakukan pengolahan data secara kualitatif melalui simulasi 2D/3D, dengan menggunakan software fluent 6.0 serta memasukkan berbagai parameter yang mendukung simulasi
Gambar 6 Distribusi tekanan 30o Daerah kavitasi pada bukaan valve 30o terdapat pada hampir semua bagian daerah bagian sebelah kanan disc, hal ini dapat dipahami karena adanya bukaan valve yang relatif kecil pada disc
Gambar 3: Geometri control valve
3
hingga menurunkan tekanan statik meningkatkan kecepatan secara tiba-tiba. • Bukaan valve 45o
Valve Capacity (CV) =
dan
Indeks Kavitasi ( ) =
= 120.13 = = 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/s Tekanan inlet ( P1) = 90 psi Tekanan Outlet (P2) = 36.2 psi Tekanan Uap Fluida (PV) = 32.08 psi Debit Aliran (Q) = V.A = 1.726 m3/s = 546.5 gpm
Gambar 7: Distribusi tekanan 45o Daerah kavitasi pada bukaan valve 45o terdapat pada ujung bagian disc, daerah dinding bagian atas, dan daerah saat akan mendekati panampang pipa akhir, hal ini dapat diketahui karena adanya kontur warna kuning dan sebagian biru yang menandakan bahwa kavitasi terjadi pada daerah tersebut • Bukaan valave 60o
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/s Tekanan inlet ( P1) = 102 psi Tekanan Outlet (P2) =20.5 psi Tekanan Uap Fluida (PV) = 32.08 psi Debit Aliran (Q) = V.A = 3.65 m3/s = 1158.36 gpm Valve Capacity (CV) = = 128.42
Gambar 4.24 Distribusi tekanan 60o Daerah kavitasi pada buakaan valve 45o terjadi pada daerah setelah melewati disc yang di tunjukkan oleh warna biru dimana pada penjelasan sebelumnya pada kontur kecepatan diketahui bahwa kecepatan setelah melewati disc bertambah secara drastis terutama pada ujung disc. Perhitungan Hasil Simulasi Perhitungan dilakukan untuk mengetahui secara numerik nilai dari kondisi oporasi Control valve, berdasarakan geometri dan visualisasi hasil simulasi, diantaranya : • Bukaan valve 90o Diameter Pipa (D) = 6 inci (0.1524 m) Luas Penampang Pipa (A) = 0.01838 m2 Kecepatan Aliran (V) = 90 m/s Tekanan inlet ( P1) = 96 psi Tekanan Outlet (P2) = 77 psi Tekanan Uap Fluida (PV) = 32.08 psi Debit Aliran (Q) = V.A = 1.654 m3/s = 523,8 gpm
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/s Tekanan inlet ( P1) = 79.1 psi Tekanan Outlet (P2) =5.97 psi Tekanan Uap Fluida (PV) = 32.08 psi Debit Aliran (Q) = V.A = 5.514 m3/s = 1746.28 gpm Valve Capacity (CV) = = 204.24 Indeks Kavitasi ( ) =
4
= 0.64
Pressure Recovery Factor (FL) = 1.24
=
= 0.89
V. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Dari hasil penelitian dan analisa data hasil simulasi pada butterfly control valve, dapat diambil beberapa kesimpulan, antara lain : • Tugas akhir ini berhasil melakukan simulasi aliran 2 dimensi atau 3 dimensi pada butterfly valve dan melakukan prediksi pengaruh kavitasi pada butterfly valve. • Daerah kavitasi terjadi: pada aliran dengan bukaan valve 900 terjadi pada bagian penampang atas dan bawah disc. pada pada aliran dengan bukaan valve 30o terjadi terdapat pada hampir semua bagian daerah bagian sebelah kanan disc.. pada pada aliran dengan bukaan valve 45o terjadi pada ujung bagian disc, daerah dinding bagian atas, dan daerah saat akan mendekati panampang pipa akhir. pada pada aliran dengan bukaan valve 60o terjadi pada daerah setelah melewati disc. • Kavitasi dapat direduksi dengan memperbesar nilai pressure recovery factor dan meningkatkan nilai indeks kavitasi. • Pengaruh kavitasi pada butterfly valve antara lain: Menyebabkan Erosi pada disc dan dinding, dan Menyebabkan Efisiensi control valve berkurang sebagai akibat dari Fluida yang Heterogen, pemecahan aliran, Blockage Effect, dan Porositas serta turunannya.
Saran Saran yang diberikan untuk pengembangan lebih lanjut dari tugas akhir ini adalah: • Melakukan simulasi dinamik dengan model yang sama untuk mengetahui proses perjalanan gelembung kavitasi • Melakukan percobacaan menggunakan model control valve dengan tipe lainya. • Lebih memfokuskan penelitian pada proses awal mulai terjadinya kavitasi.
5
Institute of Technology of Lausanne. Switzerland. 7. Masoneilan, 2000, control valve sizeing handbook, Dresser Equipment Group, Inc.. 8. Backer, Roger C, 2000, Flow Measurement HandBook, Canbridge University Press, . NewYork USA, 9. API RP520, 2000, Sizing, Selection, and Installation of PressureRelieving Devices in Refineries, Ameircan Petroleum Institute. Washington DC. 10. ANSI/ISA S75.01, 1994, Draft Recommended Practice, Flow Equations for Sizing Control Valves, Instrument Society of America, Triangle Park NC.. 11. Yan Kuhn de Chizclit, 1992, International symposium on propeller and cavitation, Proceding of the second international symposium.Hangzhou china, September, 12.Flowserve Corporation, 1978, Instrument Engineer's Handbook for DURCO Quarter-turn Control Valves, Flowserve Corporation Flow Control Division, Cookeville,TN
DAFTAR PUSTAKA 1. Firmansyah, Aditya, 2006, analisa pengaruh kavitasi aliran dua fase pada cascade pompa axial dengan menggunakan simulasi numerik, Teknik Fisika ITS, Surabaya 2. Emerson, 2005, Control valve handbook fourth edition, Fisher Controls International LLC, Marshalltown, Iowa USA 3. Gunawan Nugroho.,2005. “ Studi Numerik dan Eksperimental Aliran 3-D pada Kombinasi Airfoil/Pelat Datar dengan Variasi Lower Surface dan Pengaruh Clearance,” Laboratorium Konversi Energi dan Pengkondisian Lingkungan Jurusan Teknik Fisika FTIITS 4. Department of Energy, 2003, Fundamental handbook mechanical science fourth module ”valve”, __________, DOE Handbook, 5. SAMSON AG, 2003, Technical information part 3” Cavitation in control valve”, SAMSON, Frankfurt. 6. Ph. Couty, M. Farhat, and F. Avellan, 2001, Phisical investigation of cavitation vortex collaps,
6
BIODATA Nama :Muhammad Muhtadi TTL :Gresik, 25 Desember 1985 Alamat : 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
7
