Kata Kunci : Kavitasi, Indeks Kavitasi kritis, Indeks...

1

SIMULASI KAVITASI PADA KONTROL VALVE (Danang Arif Agustiyan,Dr Bambang Lelono Widjiantoro ST,MT)

Jurusan Teknik Fisika-Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS keputih Sukolilo, Surabaya 60111

Abstrak

Kavitasi adalah pembentukan uap dalam suatu aliran fluida sebagai akibat turunnya tekanan pada saat temperature konstan. Fenomena ini sangat berbahaya dan diketahui sebagai fenomena yang bersifat merusak pada bagian-bagian penting instrumen dalam sebuah proses diantaranya kontrol valve yang bila sangat tinggi akan mengakibatkan valve menjadi getas dan akhirnya pecah. Ada banyak hal yang bisa menyebabkan munculnya kavitasi seperti turunnya tekanan mencapai tekanan uap,besarnya pressure dropdan kecilnyadownstream pressure. 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. Pada penelitian ini akan dibahas mengenai kavitasi pada kontrol valve tipe globe valve, untuk memudahkan penelitian kami menggunakan tiga variasi prosentase bukaan valve yaitu 30 persen, 50 persen dan 70 persen. Setelah melalukan penelitian ini akan dihasilkan hasil dari penelitian yang berupa pengetahuan tentang daerah daerah pada kontrol valve yang mengalami kavitasi sepanjang daerah aliran fluida pada kontrol valve. Dari laporan penelitian ini juga dihasilkan nilai nilai yang berpengaruh terhadp fenomena kavitasi pada kontrol valve,yaitu nilai indeks kavitasi, nilai indeks kavitasi kritis, nilai pressure recovefy factor. Dari penelitian ini juga diperoleh rekomendasi atau saran mengenai tindakan yang harus dilakukan jika kontrol valve terkena kavitasi. Kata Kunci : Kavitasi, Indeks Kavitasi kritis, Indeks kavitasi, Pressure Recovery Factor, Pressure Dro, Globe valve

1. Pendahuluan

Kavitasi didefinisikan sebagai pembentukan uap dalam suatu aliran fluida sebagai akibat turunnya tekanan pada saat temperature konstan.Fenomena ini sangat berbahaya dan diketahui sebagai fenomena yang bersifat merusak pada bagian-bagian penting instrumen dalam sebuah proses diantaranya kontrol valve yang bila sangat tinggi akan mengakibatkan valve menjadi getas dan akhirnya pecah.

Pada kontrol valve pressure drop akan terjadi ketika fluida melewati control valve atau biasa dikenal dengan istilah pressure drop across. Kavitasi merupakan suatu hal yang penting karena dapat mengurangi kapasitas aliran dari suatu sistem. Kavitasi juga 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 system. Kavitasi seringkali merupakan sesuatu yang bersifat sementara dan merupakan gejala yang tidak bisa dihindari, seperti pada saat shut-off kontrol valve terbuka pertama kali atau ketika system pengalami kondisi puncak ketinggian cairan yang melewati kontrol valve. Ketika melakukan sizing relief valve dan sambungan dengan instalasi pipa, yang hampir dimaklumi sebagai keharusan terjadi penurunan aliran akibat kavitasi.

Yves Lecoffre dan Antonie Archer [1]dalam penelitianya tentang pengaruh kavitasi pada kontrol valve menjelaskan bahwa kavitasi yang terjadi dalam kontrol valve cenderung terjadi pada bukaan valve dengan presentase bukaan yang minimal,sedangkan pada presentase bukaaan valve yang lebih besar fenomena kavitasi cenderung kecil potensinya untuk terjadi,ini disebabkan pada presentase bukaan valve yang kecil akan terjadi pressure drop yang cukup besar,yang pada akhirnya menyebabkan kavitasi.

Pada penelitian yang lain Jerome Ferari dan Zachary Leutwyler dalam penelitianya tentang kavitasi pada kontrol valve menyebutkan, pada bukaan valve dengan presentase bukaan yang minimal,sedangkan pada presentase bukaaan valve yang lebih besar fenomena kavitasi cenderung kecil potensinya untuk terjadi,ini disebabkan pada presentase bukaan valve yang kecil akan terjadi pressure drop yang cukup besar,yang pada akhirnya menyebabkan kavitasi.Kedua penelitian diatas menggunakan simulasi komputasi yang menghasilkan data data dalam bentuk gambar dan numerik (angka).

Adapun parameter parameter yang berpengaruh pada terbentuknya gelembung atau penyebab terjadinya kavitasi antara lain adalah :

• Rasio pressure pada kontrol valve • Perbedaan antara pressure pada outlet

(downstream pressure) dan vapor pressure • Geometri kontrol valve • Viskositas fluida • Densitas fluida • Coeffisien cavitation pada valve tersebut Adapun akibat yang terjadi pada kontrol valve,

pada sebuah control proses karena fenomena kavitasi ini ada beberapa hal, dan biasanya selalu bersifat merusak diantaranya adalah :

• Bising yang keras • Lose Capacity • Getaran keras yang mempengaruhi jalanya

proses • Menghambat aliran akibat terbentuknya uap

air • Perubahan sifat fluida • Pengikisan komponen kontrol valve (erosion) • Kerusakan kontrol valve • Terhentinya operasi proses plant.

2

Permasalahan yang terjadi adalah bagaimana melakukan simulasi aliran fluida pada kontrol valve untuk mendeteksi fenomena kavitasi pada kontrol valve dan memvisualisasikan bentuk aliran saat terjadi kavitasi melalui pemodelan dan simulasi sekaligus melakukan prediksi untuk mereduksi intensitas kavitasi tersebut.

Tujuan dari tugas akhir ini adalah untuk melakukan simulasi pada kontrol valve untuk mendeteksi fenomena kavitasi pada kontrol valve dan memvisualisasikan bentuk aliran saat terjadi kavitasi melalui pemodelan dan simulasi sekaligus melakukan prediksi untuk mereduksi intensitas kavitasi tersebut.

Pembahasan tugas akhir ini dilakukan dengan

batasan -batasan masalah sebagai berikut : 1. Properti fluida (kerapatan dan viskositas)

dianggap konstan 2. Kontrol valve yang dianalisa adalah jenis

globe valve yang beroperasi kontinyu. 3. Variabel yang dianalisa hanya berupa variabel

tekanan yaitu pressure drop (∆P) dan tekanan uap fluida (Pv).

4. Simulasi dilakukan dengan model mixture. 5. Penekanan analisa pada distribusi tekanan. 6. Data diambil dari gas plant.

Dalam tugas akhir ini, digunakan suatu metode

penelitian yang dapat dijabarkan sebagai berikut : 1. Studi literatur Studi literatur dilakukan untuk memahami konsep

dasar tentang proses terjadinya kavitasi akibat pressure drop pada kontrol valve.

2. Pemodelan Melakukan pemodelan pola kavitasi, prediksi

kavitasi dan estimasi intensitas kavitasi melelui penentuan pressure recovery factor berdasarkan pressure drop yang terjadi.

3. Simulasi Melakukan simulasi 2D yang menunjukkan hasil

pemodelan serta visualisasi pola dan daerah kavitasi untuk prediksi dan estimasi intensitas kavitasi saat terjadinya kavitasi dengan software CFD (Computational Fluid Dynamic).

4. Pengujian dan analisa Pengujian dilakukan dengan membandingkan

karakteristik sebelum pemodelan dan setelah pemodelan serta kesesuaianya dengan hasil simulasi, sedangkan analisa data akan menghasilkan gambaran kualitatif pada pola dan prediksi kavitasi serta gambaran kuantitatif pada intensitas kavitasi.

5. Penyusunan laporan tugas akhir. Penulisan laporan ini disusun sebagai berikut : BAB I : PENDAHULUAN

Berisikan tentang latar belakang, perumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat, asumsi dan batasan masalah, metodologi penelitian, dan sistematika laporan.

BAB II : DASAR TEORI berisikan teori-teori dasar yang mendukung penelitian tugas akhir, dimana isi dari bab ini

merupakan acuan untuk menganalisa dan memecahkan permasalahan.

BAB III: METODOLOGI PENELITIAN Berisikan tentang metode penelitian yang memaparkan mengenai langkah-langkah yang telah dilakukan selama penelitian secara terperinci dari awal sampai didapatnya kesimpulan.

BAB IV :EVALUASI DATA DAN PEMBAHASAN Berisikan tentang analisa data dan pembahasan, dilakukan penganalisaan data daerah yang terkena kavitasi pada kontrol valve yang telah didapat dari hasil eksperimen berdasarkan teori- teori dan fakta-fakta yang ada pada bab sebelumnya.kmudian membahas hasil dari analisa data tersebut.

BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN Berisikan tentang kesimpulan yang diperoleh dari hasil penelitian dan saran yang diberikan untuk perusahaan.

2. Tinjauan Pustaka Dan Teori Penunjang 2.1. Tinjauan Pustaka

Pendekatan yang umum mengatakan menilai cairan mengalami kavitasi adalah dengan melihat apakah terdapat adanya gelembung yang terbentuk akibat turunnya tekanan. Untuk dapat memulai kavitasi pada tekanan sebesar sekitar tekanan uap diperlukan sejumlah gelembung kecil, disebut inti (nuclei) sering cukup hanya dalam ukuran submikrokopis saja, yang mengandung gas permanen dan atau uap cairan tersebut. Sebuah inti yang tumbuh dengan sangat cepat mengandung zat yang sebagian besar adalah fase uap. Waktu berlangsungnya kavitasi tersebut sangat singkat sehingga tidak memungkinkan terjadinya kenaikan volume gas. Berkembangnya gelembung tersebut sangat tergantung pada penguapan cairan itu sendiri, proses tersebut disebut vaporous cavitation. Contoh sederhana mengenai kavitasi mendidihnya air sebagai akibat naikknya tekanan uap ketika suhu air meningkat. Namun dalam bahasan ini kavitasi disebabkan karena aliran. Aliran kavitasi merupakan aliran dua fase yang terdiri dari cairan dan uap cairan itu, dan transisi fase tersebut ditimbulkan karena tekanan hidrodinamis.

2.2. Teori Penunjang 2.2.1. Kavitasi

Kavitasi didefinisikan sebagai pembentukan uap dalam suatu aliran fluida sebagai akibat turunnya tekanan pada saat temperature konstan.Fenomena ini sangat berbahaya dan diketahui sebagai fenomena yang bersifat merusak pada bagian-bagian penting instrumen dalam sebuah proses diantaranya kontrol valve yang bila sangat tinggi akan mengakibatkan valve menjadi getas dan akhirnya pecah. Untuk suatu garis aliran teori Bernoulli memberikan:

P1 +1/2 ρU12+ ρgz1 = Constan...............(1)

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

3

kavitasi disimbolkan dengan CN yaitu parameter ini tidak memiliki besaran tapi hanya meruppakan parameter untuk mengetahui intensitas terjadinya kavitasi pada suatu operasi control valve ∆P merupakan perubahan tekanan dan merupakan karakteristik geometri aliran.Tekanan uap PV . Seperti yang terlihat pada persamaan 2 [Rahmeyer,1992]

P

PPCN v

∆−

= 1)(.............................(2)

Untuk mengetahui bahwa kontrol velva tersebut mengalami kavitasi atau tidak,atau untuk mengetahui besarnya potensi kavitsi terjadi maka kita akan membandingkan nilai kavitasi (CN) dan nilai kavitasi kritis suatu kontrol valve (σ), yang di dapatkan dari persamaan 3 [Rahmeyer,1992]

2

1

FL≈σ

........................................(3)

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 control valve semakin kecil nilainya dengan semakin besar bukaan valve, persamaanya pada persamaan 4 [Rahmeyer,1992]

Vv

LPPC

QF

96.0)(

1. −=

…………(4) 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.

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.

Peningkatan jumlah gelembung udara sebagai awal munculnya daerah kavitasi tergantung pada jarak,

tekanan permukaan, derajat supersaturation dan penyebaran udara terhadap gelembung, local static pressure, tingkat turbulensi dan fluktuasi tekanan pada diawal daerah kavitasi. Sesaat ketika tekanan local jatuh menjadi takanan uap kombinasi antara tekanan luar dan tegangan permukaan tidak lagi seimbang dan gelembung akan berpeluang meletus, dengan kecepatan tergantung diameter gelembung. Kavitasi dimulai, fluktuasi tekanan menyebar di daerah upstream, memperbesar kesempatan gelembung mudah sekali meletus. Hal ini berarti kavitasi tidak dapat dipungkiri akan lebih mudah terjadi pada kecepatan rendah atau tekanan statis yang lebih tinggi dari pada kebutuhan kebutuhan untuk menjadikan hal tersebut.

Dalam analisa komponen yang sama dengan ukuran berbeda, bekerja dengan aliran, tekanan dan kecepatan yang sama gelembung berkembang lebih lambat untuk komponen yang memilki ukuran lebih besar. Tidak hanya itu gelembung juga memiliki waktu lebih panjang range untuk particular pressure, mereka juga dipengaruhi oleh turbulence eddies. Hal ini dapat berarti bahwa awalan kavitasi terjadi pada kecepatan alir yang rendah atau tekanan statik yang lebih tinggi pada komponen yang lebih besar jika dibandingkan dengan yang lebih kecil. Mempertimbangkan itu karenanya perlu untuk mengaplikasikan model dari keseluruhan sistem. Komponen seperti valve juga menjadi subjek yang terkena pengaruh dengan sejumlah penurunan tekanan dan energi yang hilang.

Gelembung udara dengan diameter mencapai dinding, ketika pecah kandungan uap yang semula terisolasi menyebabkan kenaikan tekanan dan kecepatan aliran pada dinding. Perhitungan fluktuasi gaya yang mengenai dinding menunjukkan cukup untuk mengikis semua bahan cukup luas atau lebih besar bergantung dari jenis dan karakteristik material dinding. Untuk kasus dimana kavitasi tersusun rapat atas gelembung dalam jumlah besar dalam waktu dekat harus dihindari karena sangat berpotensi menimbulkan surge yang memungkinkan penyebaran keseluruh sistem.

Kavitasi diasumsikan ditimbulkan oleh beberapa macam gejala dinamik jika fluida terlalu dekat dengan temperatur jenuhnya maka akan lepas ke daerah tekanan yang rendah flashing.

Empat klasifikasi utama untuk kavitasi yang melewati lorong:

Bulk Cavitation

Bulk Cavitation adalah kondisi dimana tekanan statis sepanjang aliran menurun ke vapour pressure sementara sepanjang downstreaam static pressure dipertahankan, seperti ditunjukkan pada gambar 1.Pada saat aliran pada daerah yang menyebar meningkat, saat itu juga static pressure dipertahankan. Debit fluida bisa didapatkan ketika, static pressure pada daerah downstream konstan, tekanan yang masukan jatuh menjadi tekanan uap. Waktu dimana vapour pressure bisa didapatkan, pola aliran dan luas kavitasi bervariasi untuk mempertahankan besarnya static pressure.

4

Gambar 1 Bulk kavitasi [Schulung,2003] Bulk kavitasi sangat penting jika berhubungan

dengan Ball valve, Butterfly valve, gate valve, diaphragm valve dan tipe plug. Sebagaimana diilutrasikan gambar 1, perbedaan static pressure pada masukan valve dan static pressure minimum hanya sesaat setelah control element valve lebih besar dari pada nilai total tekanan yang hilang. Dengan ketidakpastian jika total tekanan yang hilang sedikit static pressure bisa jatuh menjadi vapour pressure.Aliran dalam fluida tidak tergantung besarnya backpressure. Ketika hal ini terjadi aliran bisa mengalami choked dan kondisi superkavitasi bisa terjadi.

Flow Curvature

Flow curvature terjadi mengikuti permukaan yang berbelok terhadap aliran utama, atau jika aliran berbelok mengikuti permukaan, hal ini menyebabkan penurunan tekanan statis lokal. Flow curvature itunjukkan gambar 2, aliran fluida mengikuti arah sebelumnya dengan tujuan untuk menjaga kesimbangan antara static pressure dan gaya sentrifugal, fluida pada daerah terdekat dinding memiliki bagian terbesar tekanan statisnya sebagai bentuk tekanan kecepatannya. Oleh karena kecepatan tinggi dan tekanan statis rendah, dua kondisi ini sangat memungkinkan terjadinya kavitasi.

Gambar 2 Flow curvature cavitation

[Schulung,2003]

Surface Roughness Cavitation Permukaan yang menonjol dapat

menyebabkan aliran yang memiliki static pressure rendah. Gambar 3 menunjukkan beberapa contoh yang menyebabkan roughness cavitation. Karena aliran yang memiliki kecepatan tinggi di dekat dinding yang halus dibandingkan dengan dinding yang kasar, bagian menonjol yang terisolasi mungkin menyebabkan

kavitasi pada kecepatan aliran yang rendah dibandingkan dengan kekasaran yang terus menerus untuk ketinggian tonjolan yang sama. Satu kerusakan terjadi dan itu akan menambah kekasaran dan mungkin mempersering terjadinya kavitasi.

Gambar 3 Roughness cavitation [Schulung,2003]

Turbulence cavitation Bulk dan curvature cavitation bermula

didaerah yang berturbulensi maksimum, jarak yang berdekatan dari batas, dan bahkan rata – rata tekanan statis lebih rendah di daerah batas. Dalam kasus bulk dan curvature cavitation pengaruh turbulensi adalah menurunkan kecepatan aliran pada awal kavitasi. Hal ini ditunjukan oleh gambar 4 dibawah ini

Gambar 4 Turbulence cavitation [Schulung,2003]

2.2.2. Aliran laminar dan turbulen

Dalam aliran laminar, Fluida bergerak sebagai sejumlah laminasi atau lapisan. Semua lapisan tersebut tidak saling memotong dan membaur tetapi saling bergeseran pada kecepatan relatif yang bervariasi dalam penampang aliran.

Dalam aliran turbulen, komponen kecepatan fluida mempunyai fluktuasi yang tidak menentu. Aliran tersebut terpotong dan fluidanya membaur dalam gerakan ulakan (eddying motion). Kecepatan aliran dipandang sebagai harga rata – rata kecepatan partikel.

Gambar 5 Aliran Laminar dan Turbulen [Fox,1986]

Faktor yang menentukan laminar atau

turbulennya suatu aliran adalah fluida, kecepatan bentuk dan ukuran benda yang berada di dalam aliran,

5

kedalaman air dan jika aliran tersebut berada dalam kanal, maka faktor lainnya adalah konfigurasi dan ukuran kanal tersebut. Dalam kenyataan, kedua aliran ini memang ada, namun aliran turbulen lebih umum ditemui.

Bila kecepatan bertambah, aliran akan berubah dari laminar menjadi turbulen, melalui daerah transisi. Transisi terjadi pada angka Reynold 2300 – 4000. Dalam sebuah model percobaan seringkali ada daerah yang tidak diketahui model alirannya dan biasanya dianggap laminar sehingga dapat diartikan bahwa ketepatan percobaan sering tidak sebaik yang diinginkan. Viskositas juga berpengaruh pada aliran turbulen namun biasanya pengaruh tersebut kalah oleh dominasi tegangan geser turbulen.

Pada sebuah airfoil yang diletakkan dengan sudut serang tertentu, pemisahan terjadi dibagian belakang leading adge khususnya pada Reynold Number yang rendah sewaktu aliran pada daerah itu laminar. Jika dibandingkan, turbulen memiliki kecenderungan lebih kecil untuk terjadi pemisahan. Pemisahan pada leading edge berpengaruh langsung terhadap turunnya gaya angkat, hal ini sesuai dengan penelitian para ahli Aerodynamic walaupun perubahan menjadi turbulen terjadi pada daerah yang memecah batas dan hanya terjadi pada sudut serang tertentu. 2.2.3 Pengertian control valve

Control valve adalah salah satu elemen pengendali akhir yang digunakan untuk memanipulasi laju aliran suatu fluida proses. Kata control valve sendiri dapat diartikan sebagai katup yang dapat dikendalikan secara manual maupun otomatis, jadi sebenarnya control valve fungsinya hampir sama saja dengan keran bak mandi yang dapat kita manipulasi keluarannya. Control valve adalah jenis final control element yang paling umum dipakai untuk sistem pengendalian proses, sehingga orang cenderung mengartikan final control element sebagai control valve. Dalam kesatuannya sebagai unit ,control valve, actuator dan valve harus melakukan tugas koreksi berdasarkan sinyal manipulated variable yang keluar dari kontroler. Tipe control valve Globe valve

Di dalam tugas akhir ini akan dibahas lebih lanjut mengenai kontrol valve tipe globe ini. Globe valve dinamai demikian karena bentuk alirannya yang menyerupai globe. Valve jenis ini paling banyak dipakai disistem pengendalian karena rangeability yang luas. Dan pemakaiannya dapat menjangkau berbagai macam proses. Ada 2 macam globe valve yaitu single-seated dan double-seated. Pada double-seated, aliran fluida terpecah menjadi 2 bagian, sehingga drop pressure di masing –masing bagian hanya setengah dari drop pressure diantara inlet-outlet. Hal ini menguntungkan karena mengurangi korosi.

Globe valve adalah salah satu kontrol valve yang paling banyak dipakai di industri, baik industri yang bergerak di bidang migas maupun petrochemical.

Seperti yang sudah dijelaskan diatas bahwa

globe valve terdiri dari single port valve bodies dan double port valve bodies,globe valve single port valve bodies sendiri mempunyai banyak varian bentuknya, diantaranya single-ported globe-stile valve body, flanged angle-style control valve body,bar stock valve bodies, valve body with cage stile trim balance valve plug and soft seat, high pressure globe style control valve body, high capacity valve body with cage-style noise abatement trim, reverse-acting double-ported globe-style valve body dan port-guided single port valve bodies.Untuk globe valve tipe double port valve bodies terdapat satu jenis valve yaitu three-way valve bodies.

Gambar 6 performansi aktuator globe valve

[Driskel,2005] Globe valve sendiri mempunyai bermacam

macam tipe plug,tipe tipe tersebut mempunyai kegunaan kegunaan yang memungkinkan proses berjalan seperti semestinya. Tipe tipe plug tersebut diantaranya adalah plug tipe equal percentage, plug tipe quick opening dan plug tipe linear.

Gambar 7 tipe-tipe plug valve [Driskel,2005]

6

3. Metodologi Penelitian Dibawah ini adalah flowchart metodologi

penelitian yang telah dilakukan.

Gambar 8 Diagram Alir Simulasi Pada tahap ini dilakukan simulasi dengan memasukan nilai nilai numerik kedalam simulasi,simulasi ini menggunakan software CFD fluent dan Gambit.Gambar meshing dibawah ini dihasilkan dari memasukan nilai nilai yang terdapat dalam data sheet control valve yang akan disimulasikan.

Gambar 9 Hasil meshing geomatri control

valve

4. Analisa Data dan Pembahasan Presentase bukaan valve 30 persen

Berikut ini merupakan tampilan contour distribusi tekanan, contour distribusi kecepatan aliran, contour turbulensi aliran dan vektor kecepatan. Pada globe valve dengan bukaan 30 persen

Gambar 10 Contour distribusi tekanan pada

presentase bukaan valve 30 persen

Dari gambar 10 distribusi tekanan secara umum

dapat diketahui bahwa aliran fluida yang melewati control valve dengan bukaan 30 persen memiliki distribusi tekanan yang menurun secara tiba-tiba sesaat setelah melewati plug, ketika melewati plug aliran terbentur sehingga terjadi penurunan tekanan statik fluida, selain itu ruang aliran yang sempit karena bukaan valve yang kecil yaitu 30 persen sehingga pada daerah ini tekanan menurun dibawah tekanan uap fluida sehingga pada sebagian daerah setelah plug terjadi kavitasi, dari gambar terlihat bahwa kavitasi terjadi sebagian di samping plug. Presentase bukaan valve 50 persen



Dari gambar 11 dapat kita lihat bahwa pada

presentase bukaan valve 50 persen terjadi cukup besar penurunan tekanan,yaitu ditunjukan oleh perbedan warna yang cukup mencolok yaitu dari warna merah menyala ke warna biru muda,indikasi ini tidak serta merta dapat kita simpulkan bahwa pada gambar tersebut terjadi fenomena kavitasi. Dalam perhitungan numerik diatas disebutkan bahwa presentase bukaan valve 50 pesen tidak terjadi kavitasi.

Ya

Selesai

Pengujian

laporan

Mulai

Pengumpulan data

Membuat pemodelan bentuk control valve

Validasi

Simulasi kavitasi dengan CFD

Tidak

Ya

Tidak

7

Presentase bukaan valve 70 persen



Dari gambar 12 dapat kita lihat bahwa pada

presentase bukaan valve 70 persen tidak terjadi cukup besar penurunan tekanan,yaitu ditunjukan oleh perbedan warna yang tidak mencolok yaitu dari warna merah menyala ke warna kuning,indikasi ini serta merta dapat kita simpulkan bahwa pada gambar tersebut tidak terjadi fenomena kavitasi. Hal itu juga ditegaskan dalam perhitungan numerik diatas disebutkan bahwa presentase bukaan valve 70 pesen tidak terjadi kavitasi. Perhitungan hasil simulasi

Perhitungan ini dilakukan untuk memperoleh nilai indeks kavitsi kritis dan nilai cavitation number yang dapat mengindikasikan bahwa kontrol valve tersebut terkena kavitasi atau tidak. Presentase bukaan valve 30 persen

Diameter pipa (D) = 6 inchi (0.1524 m) Luas penampang pipa = 0.01838 m2

Kecepatan aliran (V) = 52.3 m/s Tekanan masuk = 21 psi Tekanan keluar =3.24 psi Tekanan uap fluida = 5.1 psi Debit aliran AVQ .)( = = 0.961274 m3/s =15236

gpm Kapasitas valve (Cv)

34.3615)( =∆

=

Sg

P

QCv

Indeks Kavitasi /Cavitation Number (CN)

895.024.321

1.521)( 1 =

−−=

∆−

=P

PPCN v

Pressure recovery factor (FL)

056.196.0

)(1.

=−

=Vv

LPPC

QF

Indeks kavitasi kritis (σ)

97.0056.1

1122

==≈FL

σ



Kecepatan aliran (V) = 71.4 m/s Tekanan masuk = 21 psi Tekanan keluar = 8.09 psi Tekanan uap fluida = 5.1 psi Debit aliran AVQ .)( = = 1.312332 m3/s = 20801


23.5789)( =∆

=

Sg

P

QCv


23.109.821

1.521)( 1 =

−−=

∆−

=P

PPCN v


901.01.5)96.0(2123.5789

20801

96.0)(

1.

=−

=−

=Vv

LPPC

QF


05.1901.0

1122

==≈FL

σ



Kecepatan aliran (V) = 126 m/s Tekanan masuk = 21 psi Tekanan keluar = 18 psi Tekanan uap fluida = 5.1 psi Debit aliran AVQ .)( = = 2.31588 m3/s = 36707


8.21192)( =∆

=

Sg

P

QCv


3.51821

1.521)( 1 =

−−=

∆−

=P

PPCN v

8

Perbandingan antara CN dan indeks kavitasi kritis

0

1

2

3

4

5

6

1 2 3 4

Prosentase bukaan vavle


43.096.0

)(1.

=−

=Vv

LPPC

QF


53.143.0

1122

==≈FL

σ

Dari ketiga simulasi diatas kita

mendapatkan gambaran yang cukup jelas dan terperinci bahwa fenomena kavitasi pada control valve terjadi pada presentase bukaan valve 30 persen,fakta lainya yang kita dapat peroleh yaitu pada presentase bukaan valve 50 persen dan 70 persen berturut turut tidak mengalami fenomena kavitasi. Untuk lebih jelasnya kita bias melihat perbandingan antara ketiga presentase bukaan valve yaitu presentase bukaan valve 30 persen, 50 persen dan 70 persen berturut turut dalam bentuk grafik di gambar 13

Gambar 13 gambar perbandingan indeks kavitasi kritis dan CN

5. Kesimpulan Dan Saran 5.1. Kesimpulan

Dari hasil penelitian dan analisa data hasil simulasi pada control valve tipe globe valve, dapat diambil beberapa kesimpulan, antara lain :

1.Visualisasi kavitasi pada globe valve dapat

dilakukan dengan simulasi 2D dengan mengetahui distribusi tekanan yang terjadi.

2. Simulasi kavitasi dengan prosentase bukaan valve

30,50 dan 70 persen memberikan gambaran bahwa kavitasi berpotensi terjadi pada prosentase

bukaan yang lebih kecil,ini terjadi karena besarnya pressure drop yang terjadi.

3.Daerah yang berpotensi terjadikavitasi: Pada control valve dengan prosentase bukaan valve 30 persen kavitasi terjadi pada bidang lengkung plug,ini terjadi karena di daerah tersebut mengalami penurunan pressure sampai melampaui tekanan uap fluida tersebut.

4. Pengaruh kavitasi pada control valve tipe globe

antara lain adalah terjadinya erosi pada plug yang terkena kavitasi yang menyebabkan turunya efisiensi control valve tersebut.

5.Untuk menghindari kavitasi dapat dilakukan dengan mempertahankan prosentase bukaan valve pada posisi diatas 50 persen.

5.2. Saran

Saran yang diberikan untuk pengembangan lebih lanjut dari tugas akhir ini adalah:

1.Melakukan simulasi dinamik dengan model yang

sama untuk mengetahui proses perjalanan gelembung kavitasi

2.Melakukan percobacaan menggunakan model control valve dengan tipe lainya.

DAFTAR PUSTAKA

1. Yves Lecoffre,Antonie Archer, 1998, A Method to Evaluate Cavitation Erosion in Valves,grenoble:france

2. Jerome Ferari,Zachary Leutwyler ,2009,Measurement Of The Fluid Flow Load On A Globe Valve Stem Under Variuos Cavitation Conditions,Maastrich

3. Rahmeyer,wiliam,Fred cain,Calibration and verivication of cavitation testing facilities using an orifice,Utah State Univercity

4. Koivula,Timo,On Cavitation in Fluid Power,Tampere-Finland,Tampere Univercity of Technology

5. Muhtadi,Muhammad,2008,analisis rediksi intensitas kavitasi pada control valve dengan metode pressure recovery factor, Teknik fisika ITS

6. Emerson, 2005, Control valve handbook fourth edition, Fisher Controls International LLC, Marshalltown, Iowa USA

7. Parcol, handbook for Control valve sizing, Parcol s.p.a , Italy

8. Martynov,Effect of viscous Stress on Cavitation flow in Nozle,Brighton: Univercity of Brighton

9. Driskel,2005,Instrumen Engineer Handbook for DURCO Control Valve,Cookeville:Flowserve.

10. Fox.Robert,1986, Introduction to fluid Mechanics, California: Prentice-Hall

9

BIODATA

Nama : Danang Arif Agustiyan TTL : Lamongan, 13 Agustus 1986 Alamat : Keputih Gg 3B no 17 sukolilo, Sby Pendidikan : 1992-1998 : SDN 1 Bluluk Lamongan 1998-2001 : SLTPN 1 Bluluk Lamongan 2001-2004 : SMUN 1 Babat Lamongan 2004-Sekarang : Teknik Fisika ITS

Kata Kunci : Kavitasi, Indeks Kavitasi kritis, Indeks...

Documents

Transcript of Kata Kunci : Kavitasi, Indeks Kavitasi kritis, Indeks...