BAB II LANDASAN TEORI

(1)

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Pengertian Katup Kontrol

Sebelum membahas lebih jauh tentang fungsi dan cara kerja katup kontrol berikut ini adalah pengetahuan singkat tentang sejarah definisi fungsi katup, yaitu suatu alat yang dipergunakan untuk mengatur suatu aliran air yang digunakan pada tahun B.C 3000 pada peradaban Aegean yaitu istilah umum untuk peradaban Zaman Perunggu dari Yunani di sekitar laut Aegea, dimana pertama kali katup di buat dari bahan kayu yang dioperasikan secara manual. Kemudian pada tahun A.D 12 katup mulai dibuat dari bahan perunggu, yaitu katup yang dipasang pada tangki air kapal perang Romawi. Jika di tinjau dari penemuan awal katup hingga saat ini, fungsi katup di gunakan untuk :

1. Peran Jaman kuno, fungsi katup untuk menahan laju suatu aliran.

2. Revolusi industri, katup di pasang pada mesin uap.

3. Perkembangan modern saat ini, katup berfungsi untuk menjaga tekanan agar tetap stabil dan dapat mencegah kavitasi, anti erosi dan lain sebagainya.

(2)

Gambar 2.1 Permulaan Sebuah Katup Sumber : PT. Azbil Berca Indonesia

Control Valve Elementary Course, Halaman 5

Perkembangan penggunaan katup di segala bidang khususnya di dunia industri yang begitu pesat saat ini, membutuhkan manufaktur / pabrikan yang dapat memenuhi persyaratan - persyaratan mutlak yang diperlukan oleh pengguna katup ( end user ), antara lain;

1. Material bodi katup yang tahan terhadap fluida yang bersifat korosif, abrasif dan memiliki nilai jual yang ekonomis.

2. Katup yang memiliki standard keamanan yang tinggi saat di pasang pada area berbahaya.

3. katup yang memiliki cara perawatan yang mudah serta memiliki nilai efisiensi yang tinggi terhadap nilai produksi.

(3)

Maka dapat disimpulkan bahwa katup control adalah suatu jenis elemen pengendali akhir yang paling umum digunakan untuk memanipulasi laju aliran fluida proses. Kata katup control dapat juga di artikan bahwa prinsip kerjanya bisa secara otomatis maupun manual. Suatu aliran fluida proses pada katup control bekerja tidak hanya pada posisi menutup secara penuh ( fully closed ) atau membuka secara penuh ( fully opened ) tetapi dapat juga di kendalikan melalui manipulated variabel atau input dari suatu proses yang dapat dimanipulasi atau diubah-ubah untuk mengatur besaran bukaan katup agar proses variabel selalu sama dengan set point yang di kehendaki.

Pada tugas akhir ini pembahasan lebih lanjut adalah katup control dengan tipe bola. Dinamakan katup bola dikarenakan bentuk alirannya yang menyerupai bola. katup tipe bola ini paling populer di pakai pada sistem pengendalian proses dikarenakan jangkauan yang luas serta dapat mengontrol aliran fluida proses secara akurat. Tipe globe control valve pada umumnya terdiri dari dua jenis, yaitu dudukan tunggal (single-seated ) dan dudukan ganda (double-seated ). Pada tipe dudukan ganda, aliran fluida proses dipecah menjadi dua bagian, sehingga pressure drop dimasing-masing bagian hanya setengah dari pressure drop di antara inlet-oulet. Hal ini sangat menguntungkan karena dapat mengurangi terjadinya korosi akibat fluida proses yang mengalir secara kontinyu. Katup kontrol Globe adalah salah satu tipe yang paling banyak di gunakan pada suatu proses area industri, baik di industri migas dan petrochemical.

(4)

2.1.1 Terminologi Proses Kontrol

Istilah proses kontrol adalah gabungan disiplin ilmu Statistik dan Teknik yang berhubungan langsung dengan ilmu Arsitektur, Enginering dan Algoritma dimana untuk menjaga atau mengendalikan output / keluaran dari suatu proses tertentu dalam kisaran yang dikehendaki. Kata proses dalam bidang enginering / rekayasa adalah seperangkat alat yang memiliki tugas yang saling terkait satu dengan yang lain, untuk bersama-sama mengubah input menjadi output agar sesuai yang diinginkan. Sedang kata kontrol adalah cabang antara ilmu pengetahuan enginering dan matematika yang berhubungan dengan peralatan yang bersifat dinamis dan dapat dimanipulasi atau diubah-ubah besaran outputnya.

Gabungan kerja alat-alat pengendali otomatis itulah yang sering dinamakan dengan sistem pengendalian proses. Sedangkan semua peralatan yang membentuk sistem pengendali disebut instrument pengendali proses. Maka dapat disimpulkan bahwa katup kontrol adalah bagian dari istilah proses kontrol yaitu suatu perangkat yang telah dilengkapi beberapa komponen yang menjadi satu kesatuan unit katup kontrol berupa aktuator, positioner, regulator udara bertekanan, solenoid dan limit switch.

2.1.1.1 Aktuator

Aktuator / penggerak pada katup kontrol adalah perangkat elektromekanik yang menghasilkan daya gerakan baik menggunakan sistem pneumati ( perangkat kompresi berbasis udara atau nitrogen ), hidrolik ( berbasis bahan cair seperti oli )

(5)

maupun secara elektrik yang fungsinya untuk menutup atau membuka laju aliran fluida dalam katup.

Pada tipe pneumatik aktuator diaphragm / diafragma, secara umum dapat di bagi menjadi dua prinsip kerjanya, yaitu:

a. Air-to-Open

Tipe air to open adalah aktuator akan bekerja jika masuknya sinyal udara bertekanan ( air compressor ) pada kisaran 2.8 kgf/cm2 maka katup kontrol akan terbuka.

b. Air-to-Close

Tipe air to close adalah aktuator akan bekerja jika masuknya sinyal udara bertekanan ( air compressor ) pada kisaran 2.8 kgf/cm2 maka katup kontrol akan menutup laju aliran fluida

Gambar 2.2 Tipe Aktuator Katup Kontrol Sumber : PT.Azbil Berca Indonesia Control Valve Elementary Course, Halaman 18 a. Aktuator

Pneumatik b. Aktuator Motorized

c. Aktuator Hidrolik

(6)

2.1.1.2 Positioner

Positioner dalam suatu unit katup kontrol memiliki fungsi yaitu untuk memastikan posisi yang benar sesuai input sinyal control untuk mengirimkan permintaan membuka atau menutup katup kontrol, tetapi tidak dapat mengkonfirmasi posisinya. Dengan perkembangan teknologi positioner katup kontrol saat ini, jika di tinjau dari input sinyal kontrol, maka positioner dapat dibedakan sebagai berikut:

a. Positioner Pneumatik

Positioner akan bekerja untuk memastikan dengan benar posisi pembukaan atau penutupan katup kontrol jika menerima sinyal input berupa udara bertekanan pada kisaran 0.2 ~ 1.0 kgf/cm2 dimana pada posisi katup kontrol terlihat masih menggunakan sistem analog. Pada umumnya pembacaan posisi katup kontrol pada tekanan 0.2 kgf/m2 yaitu katup kontrol pada posisi tertutup ( full close ) sedangkan pada posisi 1.0 kgf/cm2 posisi katup kontrol adalah terbuka ( full open ). Jika disimpulkan range input sinyal pneumatik positioner terhadap bukaan control yaitu; - 0.2 kgf/cm2_{bukaan katup kontrol sebesar 0%}

- 0.4 kgf/cm2 bukaan katup kontrol sebesar 25% - 0.6 kgf/cm2_{bukaan katup kontrol sebesar 50%} - 0.8 kgf/cm2_{bukaan katup kontrol sebesar 75%} - 1.0 kgf/cm2_{bukaan katup kontrol sebesar 100%}

(7)

b. Positioner Smart

Positioner akan bekerja untuk memastikan dengan benar posisi pembukaan atau penutupan katup kontrol jika menerima sinyal input berupa sinyal elektronik pada kisaran 4 ~ 20 mA DC dimana pada posisi katup kontrol terlihat sudah menggunakan sistem digital. Pada umumnya pembacaan posisi katup kontrol pada 4 mA DC yaitu katup kontrol pada posisi tertutup ( full close ) sedangkan pada posisi 20 mA DC posisi katup kontrol adalah terbuka ( full open ). Jika disimpulkan range input sinyal elektronik positioned terhadap bukaan kontrol yaitu;

- 4 mA DC bukaan katup kontrol sebesar 0% - 8 mA DC bukaan katup kontrol sebesar 25% - 12 mA DC bukaan katup kontrol sebesar 50% - 16 mA DC bukaan katup kontrol sebesar 75% - 20 mA DC bukaan katup kontrol sebesar 100%

c. Positioner Smart dengan HART Communication Protocol

Positioner ini adalah pengembangan dari positioner smart yang cara kerjanya masih menggunakan sinyal input elektronik 4-20mA DC. HART ( High Addressable Remote Transducer ), dimana jika positioned telah menggunakan memiliki kelebihan antara lain:

- Dapat mengkonfigurasi program secara otomatis - Kalibrasi secara otomatis

(8)

Gambar 2.3 Tipe – tipe positioner Sumber : Yamatake Corporation

1-12-2 Kawana, Fujisawa, Kanagawa 251-82522, Japan AGVB / AGVM Top- Guide Single seat Control Valve

2.1.1.3 Pressure Air Regulator

Peran regulator udara bertekanan yang terdapat saringan / filter di dalamnya yang terpasang pada unit katup kontrol memiliki beberapa fungsi sebagai berikut:

- Mengatur dan menyaring udara yang masuk

- Membuang / drain partikel - partikel asing yang dibawa oleh udara bertekanan, sehingga udara yang masuk ke dalam sistem kontrol benar-benar bersih.

- Memonitor tekanan udara yang masuk ke dalam sistem katup kontrol a. Positioner

Pneumatik/Ty pe HTP

e. Positioner

(9)

Gambar 2.4 Pressure Air Regulator type KZ03

Sumber :Yamatake Corporation

2.1.1.4 Katup Solenoid

Katup solenoid adalah gabungan antara sistem elektrik dan mekanis ( katup elektromekanis ) yang terpasang pada sistem katup kontrol berfungsi mengendalikan tekanan udara yang masuk ke aktuator. Arus yang di gunakan secara umum adalah arus searah / DC ( direct current ) yaitu 24 VDC.

(10)

Gambar 2.5 Solenoid Valve Type J320b175

Sumber : Yamatake Corporation

2.1.2 Terminologi Sliding-Stem Katup Kontrol

Pada umumnya istilah tipe sliding-stem katup kontrol yaitu katup sorong / dorong dimana stem / as / shaft katup pergerakkan untuk menutup atau membuka aliran fluida. Tipe yang lazim menggunakan tipe sliding / dorong yaitu tipe bola katup Adapun persentase pergerakkan menutup / membuka katup dapat di monitor travel katup tesebut. Gambar dibawah ini adalah tipe sliding-stem katup kontrol, dimana item katup stem yang telah terangkai sedemikian rupa akan bekerja mendorong plug stem untuk menutup dan mengangkat plug stem untuk membuka aliran fluida.

(11)

Gambar 2.6 Konstruksi / bagian – bagian katup kontrol Sumber: PT. Azbil Berca Indonesia

Control Valve Elementary Course, Halaman 5

2.1.3 Terminologi Rotary-Shaft katup kontrol

Istilah rotary-shaft katup kontrol adalah dimana bagian dari katup yaitu disc / lempengan / plug yang berfungsi sebagai menutup atau membuka aliran fluida bekerja dengan cara berputar mengikuti poros / shaft katup tersebut dengan membentuk sudut 25o_{, 45}o_{, 60}o_{dan 90}o_{yang disesuaikan oleh Cv katup kontrol.} Tipe katup yang bekerja secara rotasi bisa berupa tipe: katup bola, katup kupu - kupu, plug katup dan lain sebagainya. Beberapa pabrikan katup putar telah banyak

(12)

memberikan informasi kepada praktisi di industri dalam untuk menentukan bukaan / perjalanan katup yang diinginkan.

Gambar 2.7 Posisi Membuka Pada Katup Kontrol Rotari Shaft Sumber: PT. Azbil Berca Indonesia

Control Valve Elementary Course, Halaman 33

2.2 Klasifikasi Katup Kontrol

Ditinjau dari cara kerja Katup dan fungsinya, maka katup dapat di kelompokkan menjadi dua bagian, yaitu katup manual dan katup otomatis.

2.2.1 Katup manual

Katup Manual adalah katup-katup yang terpasang disaluran fluida gas atau cair yang cara pengoperasiannya masih di dominan oleh manusia, yaitu pada saat membuka atau menutup aliran fluidanya. Tipe katup yang dioperasikan secara manual banyak ragamnya, antara lain: bola, kupu - kupu, gate dan lain-lain. Adapun alat untuk membuka / menutup katup secara manual yaitu tipe: lever / tungkai, hand wheel / berbentuk steer mobil yang terdapat pada katup tersebut.

(13)

Sumber: Yamatake Corporation

1-12-2 Kawana, Fujisawa, Kanagawa 251-8522, Japan AGVB/AGVM Top-Guide Single Seat Control Valve Gambar 2.8 katup bola

dengan penggerak Lever / Tungkai

Gambar 2.9 katup gerbang dengan penggerak Hand

Wheel / tungkai

Gambar 2.10 katup kupu – kupu

(14)

2.2.2 Katup On-Off

Prinsip kerja suatu tipe katup On-Off yang terpasang pada rangkaian pipa, yaitu ketika Katup di buka maka fluida mulai mengalir dan sebaliknya ketika katup di tutup, maka fluida pun berhenti mengalir. Garis besar tugas katup on-off ialah untuk menutup penuh ( fully closed ) ataupun membuka penuh ( fully opened ).Komponen-komponen yang terpasang pada katup On-Off yaitu berupa air regulator dan katup solenoid

.

Gambar 2.12 on-off valve Sumber: PT. Azbil Berca Indonesia Control Valve Elementary Course, Halaman 19

2.2.3 katup

Self Operated

Pada katup Self operated, tidak membutuhkan energi luar seperti listrik dan udara bertekanan. Sistem katup ini dapat bekerja sendiri dengan bantuan sensor – sensor, sesuai dengan tujuan pengoperasian katup ini. Katup Self operated sering dipakai sebagai pengatur temperatur, flow, pressure, ataupun differential pressure suatu fluida kerja.

(15)

Gambar 2.13 Self Operated Valve Sumber: PT. Azbil Berca Indonesia Control Valve Elementary Course, Halaman 20

2.2.4 Katup Kontrol

Katup Kontrol merupakan elemen pengendali akhir yang banyak digunakan pada industri modern. Pada umumnya katup kontrol terdiri dari tiga bagian utama yaitu ; bodi katup, aktuator, serta positioner. Bodi katup adalah tempat dimana fluida yang mengalir akan dikondisikan sesuai kebutuhan perancang baik dari segi flow, temperatur, maupun tekanan. Sedangkan Aktuator berfungsi sebagai penggerak dari komponen bodi katup setelah merubah signal pneumatik maupun elektrik dari positioner menjadi energi mekanik untuk mengatur pembukaan katup tersebut. Positioner berperan sebagai pemberi signal pengaturan kepada aktuator setelah mendapat data-data kondisi kerja dari

(16)

sensor-sensor serta berdasarkan penyetelan awal yang dikondisikan sesuai kebutuhan penggunanya.

Gambar 2.14 Katup kontrol Sumber: PT. Azbil Berca Indonesia Control Valve Elementary Course, Halaman 20

2.3 Konsep Kerja Katup Kontrol

Katup adalah komponen dengan lubang variabel,yang memungkinkan bisa mengatur aliran fluida. Katup kontrol adalah aktuator sistem yang teregulasi, dan ini berarti bahwa komponen katup kontrol sangat signifikan penting. Hal ini untuk alasan bahwa katalog yang diterbitkan oleh produsen katup sangat baik disajikan dan merupakan terbaik

(17)

2.3.1 Dead Band Zona Katup Kontrol

Dead band mempunyai peran utama untuk variabilitas proses yang berlebihan, dan katup kontrol assemblies dapat menjadi sumber utama dead band dalam instrumentasi loop akibat berbagai penyebab seperti gesekan ( friction ), poros backlash (serangan balik), wind-up, relay atau spul katup dead zona, dll.

Dead band adalah sebuah fenomena umum di mana berbagai atau band dari kontroler output (CO) nilai gagal untuk menghasilkan perubahan dalam proses variabel- mampu diukur (PV) ketika sinyal masukan berbalik arah. (Lihat definisi istilah-istilah dalam Bab 1) Bila terjadi gangguan beban., proses variabel (PV) menyimpang dari set point. Penyimpangan ini memulai-koreksi tindakan melalui controller dan kembali melalui proses. Namun, perubahan awal dalam output controller dapat tidak menghasilkan korektif perubahan dalam variabel proses. Hanya ketika output kontroler memiliki berubah cukup untuk kemajuan melalui mati band melakukan yang sesuai perubahan dalam variabel proses terjadi. Setiap kali output pengontrol ulang searah, sinyal pengendali harus melalui dead band menjadi-kedepan setiap perubahan korektif dalam variabel proses akan terjadi. Kehadiran band mati dalam proses memastikan deviasi variabel proses dari set point akan meningkat sampai cukup besar untuk mendapatkan melalui dead band. Hanya kemudian dapat tindakan korektif terjadi.

2.3.2 Desain Aktuator-Positioner

Aktuator dan desain positioner harus dipertimbangkan bersama-sama. Kombinasi dari kedua peralatan ini sangat mempengaruhi kinerja statis,serta

(18)

respon dinamis dari perakitan katup kendali dan konsumsi udara instrumentasi katup secara keseluruhan.

Positioner digunakan dengan sebagian besar aplikasi katup kontrol yang telah ditentukan. Positioner memungkinkan untuk akurasi posisi yang tepat dan respon lebih cepat ketika terjadi gangguan proses untuk digunakan dengan sistem kontrol konvensional digital. Dengan meningkatnya penekanan pada kinerja proses kontrol yang ekonomis, positioner harus dipertimbangkan untuk setiap aplikasi di mana katup proses optimasi adalah penting. Karakteristik yang paling penting dari positioner yang baik untuk mengurangi variabilitas proses adalah bahwa hal itu menjadi penguatan perangkat yang tinggi . Keuntungan positioner terdiri dari dua macam : keuntungan statis dan keuntungan dinamis.

Keuntungan statis berhubungan dengan sensitivitas perangkat untuk mendeteksi terkecil ( kurang dari 0,125% ) perubahan sinyal input. Kecuali perubahan sinyal sensitif terkecil dari perangkat ini, tidak bisa menanggapi gangguan kecil dalam variabel proses. Ini Keuntungan statis tinggi dari positioner diper oleh melalui preamplifier, mirip dalam fungsi kepreamplifier yang terkandung dalam ketepatan sound sistem yang tinggi. Dalam banyak positioner pneumatik, nozzle – flapper atau serupa perangkat ini berfungsi sebagai Keuntungan statis tinggi preamplifier.

2.4 Fungsi Katup Kontrol

Di era industri yang maju begitu pesat saat ini, penggunaan katup kontrol sebagai final kontrol element dalam suatu proses produksi telah banyak digunakan sesuai dengan peruntukannya, misalnya katup kontrol tersebut dititik beratkan

(19)

untuk di aplikasikan pada aliran, temperatur, tekanan dan lain sebagainya. Berikut adalah :

2.4.1 Pengatur Aliran

Untuk memudahkan identitas sebuah katup kontrol yang di aplikasi pada area tertentu, maka perlu di berikan Tag. No agar lebih mudah di monitor. Sebuah katup kontrol yang dititik beratkan untuk mencapai aliran tertentu, maka sering di singkat dengan nama FCV ( flow control valve ).

2.4.2 Pengatur Tekanan

Untuk memudahkan identitas sebuah katup kontrol yang di aplikasi pada area tertentu, maka perlu di berikan Tag. No agar lebih mudah di monitor. Sebuah katup kontrol yang dititik beratkan untuk mencapai pressure tertentu, maka sering di singkat dengan nama PCV ( pressure control valve ).

2.4.3 Pengatur Level

Untuk memudahkan identitas sebuah katup kontrol yang di aplikasi pada area tertentu, maka perlu di berikan Tag. No agar lebih mudah di monitor. Sebuah katup kontrol yang dititik beratkan untuk mencapai level sebuah permukaan, maka katup kontrol pada area tersebut sering di singkat dengan nama LCV ( level control valve ).

(20)

2.4.4 Pengontrol Temperatur

Untuk memudahkan identitas sebuah katup kontrol yang di aplikasi pada area tertentu, maka perlu di berikan Tag. No agar lebih mudah di monitor. Sebuah katup kontrol yang dititikberatkan untuk menghandle temperature tertentu, maka sering di singkat dengan nama TCV ( temperature control valve ). Biasanya tipe TCV banyak di aplikasikan pada sistem line boiler.

2.5 Terminologi Aliran Katup Kontrol

2.5.1 Flow Coefficient ( Cv ) Prinsipal

Koefisien aliran Cv, digunakan untuk pertama kalinya oleh Masoneilan pada tahun1944, dengan cepat menjadi referensi yang universal untuk mengukur aliran fluida melalui sebuah katup. Hal ini karena koefisien begitu praktis sehingga sekarang hamper selalu digunakan dalam perhitungan untuk semua ukuran katup atau untuk menentukan aliran yang melewatinya

Dalam menentukan suatu aplikasi unit katup kontrol pada proses aliran fluida atau gas maka perlu menentukan aliran coefficient atau Cv yaitu gunanya untuk menentukan kapasitas aliran terhadap kekuatan bodi katup dan ukuran trim ( bagian katup yang bekerja secara dinamis, seperti plug, stem / as dan seat ring / dudukan untuk plug ). Definisi kenaikan 1 Cv yaitu pada 1 galon per menit ( gpm ) pada temperature 60o_{F pada saat fluida mengalir padakatup dengan beda tekanan} / pressure drop 1 psi. Pada umumnya, untuk mendapatkan Cv yang tepat dapat menggunakan persamaan sebagai berikut :

(21)

a f f P G F q Cv ∆ = _{( 2.1 )}[1]

Sumber : Masonelaine Control Valve Handbook hal.5

Dimana: Cv = Flow Coefiscient

Q = aliran dalam gpm Ff = Piping Geometry Factor

∆Pa = Allowable pressure drop melalui katup,psi Gf = Specific grafity

∆P = pressure drop dalam psi

2.5.2 Perhitungan Cv Untuk Fluida air

Dalam memenentukan ukuran, rating serta flow coefficient katup kontrol yang akan dialirkan pada fluida cair atau gas sering disebut dengan istilah ukuran katup kontrol, maka dari itu diperlukan pemahaman yang memadai dengan suatu acuan persamaan yang telah di sepakati oleh pabrikan katup kontrol di seluruh dunia dengan nama organisasi ANSI /I SA-75.01.01-2002 ( IEC 60534-2-1 Mod ) yaitu Flow Equations for Sizing Control Valves. ISA sendiri kepanjangan dari The Instrumentation, Systems, and Automation Society. Berikut adalah tahapan-tahapan yang harus diperhatikan dalam men-sizing katup kontrol, yaitu:

(22)

1. Menghitung aktual pressure drop/penurunan tekanan dengan persamaan: 2 1

P

=

−

∆

(2.2)[2]

Sumber : Masonelaine Control Valve Handbook hal.5

Dimana :

P1 =Tekanan masuk ( Inlet Pressure ) P2 = Tekanan keluar ( Outlet Pressure )

2. Memeriksa aliran tersedak, kavitasi dan flashing dengan persamaan:

) ( 1 2 V F L P F P F P = − ∆ (2.3)[3] FL = 0.85 Dimana: psia pressure, Inlet psia inlet, re temperatu pada pressure Vapor factor ratio pressure critical Liquid factor recovery pressure Liquid 1 = = = = P P F F V F L

Jika ∆Pch ( persamaan 2.3 ) kurang dari actual ∆P ( persamaan 2.5 ), gunakan ∆Pch untuk ∆Pa dalam persamaan 2.6.

(23)

tabel 2.1: Katup Khas Pemulihan Koefisien Dan Faktor kavitasi

1-12-2 Kawana, Fujisawa, Kanagawa 251-8522, Japan AGVB/AGVM Top-Guide Single Seat Control Valve

Diagram (1) Karakteristik Aliran Katup Kontrol Sumber: Yamatake Corporation

(24)

FF dapat di estimasikan dengan persamaan: C V F P P F =0.96−0.28 (2.4)[4]

Sumber : Masonelaine Control Valve Handbook Tech. Ref. Hal 6

Dimana: FF = Liquid critical pressure ratio

Pv = vapor pressure dari liquid, psia Pc = Critical pressure dari liquid, psia

(25)

Table 2.2 : Tekanan Kritis

3. Menghitung perkiraan Cv Fp menggunakan persamaan 2.1 dan mengasumsikan Fp adalah 1.0

Pada umumnya efek dari aliran non-turbulent dapat di abaikan, asalkan katup tidak beroperasi pada suatu aliran laminar atau area aliran trasitional yang mengakibatkan viskositas naik, kecepatan fluida menjadi rendah atau Cv yang kecil.

(26)

4. Menghitung masuk atau keluar velocity dalam suatu aliran fluida dengan menggunakan persamaan:

2.6 Karakteristik Aliran Katup Kontrol

Karakteristik aliran sebuah katup kontrol adalah hubungan antara laju aliran melalui pembukaan katup dengan variasi rentang dari 0 - 100%. Karakter aliran yang melekat pada sebuah katup kontrol mengacu pada pengamatan secara terus menerus penurunan tekanan melalui katup. Menetapkan suatu karakteristik aliran berarti satu peralatan digunakan untuk mendapatkan variasi penurunan tekanan terhadap aliran yang berhubungan dengan perubahan system lainnya. Diperlukannya karakteristik aliran bertujuan untuk menyeragamkan secara keseluruhan keseimbangan putaran katup selama rentang yang diharapkan terhadap kaitannya dengan kondisi operasi. Dalam memilih karakteristik aliran diperlukan untuk menyeragamkan suatu sistem yang di syaratkan pada sebuah analisis dinamis terhadap putaran katup. Analisis proses harus terlebih dulu di lakukan, agar panduan pemilihan karakteristik aliran yang akan di pilih menjadi akurat katup kontrol pada umumnya memiliki 3 ( tiga ) karakteristik aliran yang ideal, yaitu Quick Opening, Linear dan Equal Percentage, dimana aliran yang melalui sebuah katup adalah sebanding dengan luasan dari bukaan dan akar kuadrat dari penurunan tekanan yang terjadi pada katup

(27)

Diagram (2) Karakteristik Aliran Katup Kontrol Sumber KLM Technology Group

Practical Engineering Guidelines for Processing Plant Solutions

2.6.1 Quick Opening

Pada area bukaan katup ( travel ) yang kecil dapat membuat suatu perubahan aliran yang besar ( flow rate ). Dengan kata lain, karakteristik quick opening / bukaan cepat merupakan perubahan maksimum yang terjadi pada bukaan katup / travel yang relatif kecil. Karakteristik quick opening sangat tepat di aplikasikan pada katup on-off.

(28)

Gambar 2-15 Counter Cage untuk aliran Quick Opening

Sumber : Emerson Process Management Control Valve Handbook, Fourth Edition of Fisher, hlm. 24

2.6.2 Equal Percentage

Karakteristik equal percentage / persentase sama sering digunakan pada proses kontrol yaitu aliran yang menyatakan perubahan travel bukaan katupyang besar namun aliran semakin lambat. Berikut adalah bentuk cage / tempat dudukan plug untuk karakteristik aliran equal percentage.

Gambar 2.16 Counter Cage untuk aliran Equal Percentage

(29)

2.6.3 Linear

Karakteristik ini menyatakan bahwa besarnya aliran yang proporsional dengan bukaan katup / travel atau dengan kata lain travel bukaan berbanding lurus dengan aliran ratenya. Jika bukaan katupsebesar sepuluh persen maka aliran rate pun mengalir sebesar sepuluh persen. Katup kontrol jenis linear banyak di aplikasikan pada pengendalian level permukaan dengan gain yang tetap. Berikut adalah bentuk cage / tempat dudukan plug untuk karakteristik aliran linear.

Gambar 2.17 Counter cage aliran linear

(30)

2.7. Analisa aliran tersedak Pada katup kontrol AGVB ANSI 150

2.7.1 Aliran Tersedak

Dalam pengertian Aliran Tersedak ( Choked Flow ) adalah efek aliran kompresibel. Parameter yang menjadi ” mencekik ” atau ” terbatas ” adalah kecepatan atau laju aliran massa.

Pengertian lain dari aliran tersedak adalah Fluida dinamis yang kondisinya berhubungan dengan efek Venturi. Ketika suatu Fluida mengalir yang diberikan tekanan dan temperatur melewati pembatasan ( seperti tenggorokan dari Nozzel Konvorgen – Divergen atau katup dalam pipa ) ke dalam lingkungan tekanan rendah meningkat kecepatan Fluida.Pada awalnya kondisi hulu Subsonic, dengan kekekalan massa prinsip memerlukan cairan kecepatan meningkat karena mengalir melalui luas penampang lebih kecil dari pembatasan. Pada saat yang sama, efek Venturi menyebabkan tekanan statis, dan karena kepadatan, untuk mengurangi hilir pembatasan masa lalu. Aliran tersumbat adalah kondisi pembatas yang terjadi saat laju aliran massa tidak akan meningkat dengan penurunan lebih lanjut dalam lingkungan tekanan hilir sementara tekanan hulu adalah tetap.

(31)

Gambar 2.18

perbandingan profil presurre untuk katup tinggi dan rendah Sumber : Emerson Process Management Control Valve Handbook, Fourth

Edition of Fisher, hlm. 136

Aliran tersedak juga dikenal sebagai aliran kritis dan itu terjadi ketika peningkatan penurunan tekanan pada katup tidak lagi menciptakan peningkat analiran. Dalam aplikasi cair kapasitas katup sangat terbatas jika kondisi tekanan untuk cairan cukup rendah untuk menyebabkan berkedip dan kavitasi Untuk gas dan uap kapasitas terbatas jika kecepatannya mencapai kecepatan sonik. Untuk memahami bagaimana kondisi ini terjadi pertama-tama kita perlu melihat pada tekanan normal untuk aliran hubungan dan kemudian melihat bagaimana perubahan ketika kondisi aliran tersedak terjadi. Seperti perbedaan tekanan meningkatkan aliran akan mencapai kondisi arus tersendat dimana tidak ada lagi meningkatkan aliran dapat diperoleh. Gambar2.18 menunjukkan efek ini untuk cairan mana tersedak aliran kondisi terjadi ketika pembentukan uap terjadi pada titik contractavena dalam katup.

(32)

Gambar 2.19

katup kontrol menampilkan aliran tersedak

Sumber : Emerson Process Management Control Valve Handbook, Fourth Edition of Fisher, hlm. 9

Pembentukan uap dalam aliran cairan umumnya disebut berkedip dan menghasilkan baik dalam aliran uap atau gelembung terus hilir dari katup, jika gelembung kental lagi efek transien digambarkan sebagai kavitasi.

Aliran tersedak atau kritis juga terjadi dalam aplikasi gas dan uap saat gas mencapai kecepatan sonic seperti meremas melalui pembukaan katup. Dalam kondisi kecepatan gas tidak dapat ditingkatkan lebih lanjut dan meningkatkan tekanan diferensial tidakakan sendiri meningkatkan arus. Gambar 2.19 menunjukkan capping dari kecepatan gas.Namun, dalam kasus gas dan uap laju aliran masih dipengaruhi oleh densitas gas pada mengalir kondisi. Meningkatkan P1 tekanan inlet akan meningkatk analiran dan meningkatkan mengalir suhu akan mengurangi aliran.

(33)

Gambar 2.20

profil untuk aliran kritis katup kursi tunggal dunia

2.7.2 Penyebab Terjadinya Aliran Tersedak

Penyebab terjadinya aliran tersedak adalah karena besarnya hilang tekan ( pressure loss ) yang diakibatkan oleh adanya penyempitan area fluida. Maka besarnya hilang tekan permanen ini cukup besar sehingga perbedaan antara tekanan upstream dan tekanan downstream cukup mencolok. Dalam kasus ini,aliran fluida dalam keadaan dicekik. Fenomena aliran tersedak sendiri adalah terjadinya mass flowrate yang konstan meskipun downstream pressure-nya menurun akibat sonic velocity.

(34)

2.7.3 Jumlah Aliran

Pada sistem katup kontrol, jumlah aliran sangat berpengaruh terhadap design katup kontrol, untuk itu jumlah aliran menjadi dasar dalam pemilihan katup kontrol. Design dari katup diharuskan mampu menahan hingga 10 sampai 15% diatas dari spesifikasi maximum aliran katup kontrol tersebut. Di beberapa system, menurunkan jumlah aliran sama artinya dengan kenaikan pressure drop, untuk mengatasi hal ini maka Cv ( Coefficient Of Valve ) harus lebih besar dari kondisi kerja actualnya

2.7.4 Koefisien katup untuk fluida Air

Ketika terjadi aliran tersedak yaitu ketika terjadi penguapan pada fluida air tersebut dikarenakan penurunan tekanan didalam katup sampai ke tekanan penguapan dari fluida cair tersebut maka berlaku persamaan dibawah ini :

Aliran liquid terjadi tersedak jika

ΔP =FL

²

(P1 – FF PV)

Pada aliran nonturbulent, atau disebut aliran laminar ataupun transisional diperlukan faktor koreksi dimana faktor koreksi ini disebut faktor koreksi Reynold number (R), adapun untuk mencari faktor koreksi tersebut dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan dibawah ini :

(35)

R = _{√𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑥𝑥 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀}44000 𝑥𝑥 𝐺𝐺

Sumber : Azbil Berca “ Control Valve Elementary course” hal 115

Sehingga untuk harga cv pada aliran nonturbulent adalah :

Cv (Laminar) = Cv (Turbulent) x R

Jika proses kerja dari sistem berada pada temperatur saturasi dan ketika penurunan tekanan terjadi saat fluida kerja melewati katup maka tekanan pada downstream akan menurun dan lebih kecil dari tekanan saturasi meskipun tekanan upstream lebih besar dari tekanan saturasi. Jika kondisinya seperti ini, kemungkinan penguapan dan flashing akan terjadi serta untuk perhitungan koefisien valvenya dapat dicari dengan persamaan – persamaan berikut ;

1. Jika fluida kerjanya air ; a. Untuk dT < 2.8 º C

dPc = 0.06 x P1 b. Untuk dT > 2.8 ºC

dPc = 0.9 x (P1-Pv)

2. Jika Fluida kerjanya selain air ; X = 𝑖𝑖1−𝑖𝑖2_𝑟𝑟2

(36)

2.7.5 Koefisien Valve Untuk Fluida Kerja Gas

Untuk Laju aliran Gas berlaku persamaan berikut ini ;

1. Jika dP < 𝑃𝑃1₂

Cv = ₂₈₇𝑄𝑄 �𝐺𝐺 𝑥𝑥 ( 273+𝑀𝑀𝑡𝑡 )_{𝑑𝑑𝑃𝑃 𝑥𝑥 (𝑃𝑃1+𝑃𝑃2)}

2. Jika dP > 𝑃𝑃1₂ Cv = 𝑄𝑄�𝐺𝐺 𝑥𝑥 (273+𝑀𝑀𝑡𝑡)_{249 𝑥𝑥 𝑃𝑃1}

Pada aliran fluida gas kecepatan aliran fluida akan mencapai kecepatan sonic ketika nilai dari dP > 𝑃𝑃1₂ .

2.7.6 Koefisien Valve Untuk Fluida kerja Uap Cair

Untuk Laju aliran Uap cair berlaku persamaan berikut ini ;

1. Jika dP < 𝑃𝑃1₂

Cv = 𝑊𝑊𝑊𝑊

(37)

2. Jika dP > 𝑃𝑃1₂

Cv = _{11.9 𝑥𝑥 𝑃𝑃1}𝑊𝑊𝑊𝑊

2.7.7 Jenis Aliran

Jenis aliran yang melalui sebuah katup kontrol turut berpengaruh

terhadap kinerja dari katup kontrol itu sendiri. Faktor –faktor yang mempengaruhi jenis / pola aliran antara lain ;

1. Kecepatan fluida 2. Suhu Fluida 3. Diameter Pipa

4. Besar bukaan katup kontrol

Sebagai gambaran untuk pola aliran tersebut dapat dilihat seperti gambar di bawah ini :

(38)

Pola aliran dapat diketahui dengan cara antara lain ; 1. Visual

2. Secara perhitungan

Analisa secara Visual didapat dengan cara melihat langsung diaplikasi dan dapaat dibandingkan dengan gambar 2.21 untuk mengetahui jenis aliran tersebut apakah laminer atau turbulen.

Untuk analisa perhitungan didapat dengan cara menghitung besarnya renold number pada aliran di katup kontrol.

Reynold number merupakan parameter untuk mengetahui pola aliran adapun untuk mengetahui jenis aliran berdasarkan reynold number adalah sebagai berikut :

• Aliran Laminer mempunyai Re < 2100 • Aliran Turbulen mempunyai Re > 4100

• Aliran Transisi mempunyi Re antara 2100 – 4100

Secara umum dapat didefiniskan untuk jenis aliran sebagai berikut :

• Aliran laminer merupakan aliran yang lambat, fluida mengalir pada kecepatan maksimum pada bagian sumbu pipa dan kecepatan yang paling rendah pada bagian dinding pipa.

• Aliran Turbulen merupakan Sedangkan aliran turbulen kecepatan fluida konstan pada setiap jarak lintas pada pipa.

Berdasarkan penjelasan – penjelasan diatas dapat ditarik kesimpulan bahwa reynold number berbanding lurus dengan kecepatan,

(39)

2.7.8 Menentukan Variabel yang diperlukan

Adapun variabel yang diperlukan untuk mengukur / merancang sebuah katup adalah sebagai berikut :

 Ukuran diameter pipa inlet dan outlet (diameter 1 dan 2 (2,5) inchi)  Data pressure (tekanan) fluida yang bekerja

- Tekanan Upstream - Tekanan Downstream

- Tekanan turun (Pressure Drop) - Tekanan uap (vapor pressure)

 Data temperatur

 Flowrate (tingkat aliran) : liquid / gas  Viskositas (kekentalan) fluida

 Choke Drop

 Valve Velocity  Flow Capacity