is i 2510637492156

Teknik Mesin [Bab II Landasan Teori]

8

Universitas mercubuana

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Pengertian Control Valve

Sebelum membahas lebih jauh tentang fungsi dan cara kerja control valve

berikut ini adalah pengetahuan singkat tentang sejarah definisi fungsi valve, 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 valve di

buat dari bahan kayu yang dioperasikan secara manual. Kemudian pada tahun A.D

12 valve mulai dibuat dari bahan bronze, yaitu valve yang dipasang pada tanki air

kapal perang Romawi. Jika di tinjau dari penemuan awal valve hingga saat ini,

fungsi valve di gunakan untuk :

1. Peran zaman kuno, fungsi valve untuk menahan laju suatu aliran.

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


9


3. Perkembangan modern saat ini, valve berfungsi untuk menjaga tekanan

agar tetap stabil dan dapat mencegah kavitasi, anti erosi dan lain

sebagainya.

Perkembangan penggunaan valve 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 valve

(end user), antara lain;

1. Material body valve yang tahan terhadap fluida yang bersifat korosif,

abrasif dan memiliki nilai jual yang ekonomis.

2. Valve yang memiliki standard keamanan yang tinggi saat di pasang pada

area berbahaya.

Gambar No. 1 Permulaan sebuah valve

Sumber: PT. Azbil Berca Indonesia

Control Valve Elementary Course, Halaman 5


10


3. Valve yang memiliki cara perawatan yang mudah serta memiliki nilai

efisiensi yang tinggi terhadap nilai produksi.

Maka dapat disimpulkan bahwa control valve adalah suatu jenis elemen

pengendali akhir atau final control elemen yang paling umum digunakan untuk

memanipulasi proses laju aliran fluida. Kata control valve dapat juga di artikan

bahwa prinsip kerjanya bisa secara otomatis maupun manual. Suatu proses aliran

fluida pada control valve bekerja tidak hanya pada posisi menutup secara penuh

(fully closed) atau membuka secara penuh (fully opened) tetapi dapat juga di

kendalikan melalui manipulated variable atau input dari suatu proses yang dapat

dimanipulasi atau diubah-ubah untuk mengatur besaran bukaan valve agar proses

variabel selalu sama dengan set point yang di kehendaki.

TIPE CONTROL VALVE

Globe Valve

Pada tugas akhir ini pembahasan lebih lanjut adalah control valve dengan

tipe globe. Dinamakan globe valve dikarenakan bentuk alirannya yang

menyerupai globe/bola. Valve tipe globe ini paling populer di pakai pada sistem

pengendalian proses dikarenakan range ability (jangkauan yang luas) serta dapat

mengontrol aliran fluida proses secara akurat. Tipe globe control valve pada

umumnya terdiri dari dua jenis, yaitu single-seated (dudukan tunggal) dan double-

seated (dudukan ganda). Pada tipe double-seated, 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


11


secara kontinyu. Globe control valve adalah salah satu tipe yang paling banyak di

gunakan pada suatu proses area industri, baik di industri migas dan petrochemical.

2.1.1 Terminologi Proses Kontrol

Istilah proses kontrol adalah gabungan disiplin ilmu Statistik dan Teknik

yang berhubungan langsung dengan ilmu Arsitektur, Engineering dan Algoritma

dimana untuk menjaga atau mengendalikan output/keluaran dari suatu proses

tertentu dalam kisaran yang dikehendaki. Kata proses dalam bidang engineering

/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 engineering 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 (process control system). Sedangkan semua

peralatan yang membentuk sistem pengendali disebut instrument pengendali

proses (process control instrumentation).

Maka dapat disimpulkan bahwa control valve adalah bagian dari istilah proses

kontrol yaitu suatu perangkat yang telah dilengkapi beberapa komponen yang

menjadi satu kesatuan unit control valve berupa aktuator, positioner, regulator

udara bertekanan, solenoid dan limit switch.


12


2.1.1.1 Komponen Utama Control Valve

A. Aktuator

Aktuator/penggerak pada control valve adalah perangkat elektromekanik

yang menghasilkan daya gerakan baik menggunakan sistem pneumatik (perangkat

kompresi berbasis udara atau nitrogen), hidrolik (berbasis bahan cair seperti oli)

maupun secara elektrik yang fungsinya untuk menutup atau membuka laju aliran

fluida dalam valve.

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 control valve

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 control valve

akan menutup laju aliran fluida.


13


B. Positioner

Positioner dalam suatu unit control valve memiliki fungsi yaitu untuk

memastikan posisi yang benar sesuai input sinyal kontrol untuk mengirimkan

permintaan membuka atau menutup control valve, tetapi tidak dapat

mengkonfirmasi posisinya.

Dengan perkembangan teknologi positioner control valve saat ini, jika di

tinjau dari input sinyal control, maka positioner dapat dibedakan sebagai berikut:

a. Positioner Pneumatik

Positioner akan bekerja untuk memastikan dengan benar posisi

pembukaan atau penutupan control valve jika menerima sinyal input

berupa udara bertekanan pada kisaran 0.2 ~ 1.0 kgf/cm2 dimana pada

posisi control valve terlihat masih menggunakan sistem analog. Pada

a. Aktuator

Pneumatik

b. Aktuator

Motorized

c. Aktuator

Hidrolik

Gambar No. 2 Tipe Aktuator control valve

Sumber: PT. Azbil Berca Indonesia

Control Valve Elementary Course, Halaman 18


14


umumnya pembacaan posisi control valve pada tekanan 0.2 kgf/m2 yaitu

control valve pada posisi tertutup (full close) sedangkan pada posisi 1.0

kgf/cm2 posisi control valve adalah terbuka (full open). Jika disimpulkan

range input sinyal pneumatik positioner terhadap bukaan kontrol yaitu;

- 0.2 kgf/cm2 bukaan control valve sebesar 0%

- 0.4 kgf/cm2

bukaan control valve sebesar 25%




b. Positioner Smart

Positioner akan bekerja untuk memastikan dengan benar posisi

pembukaan atau penutupan control valve jika menerima sinyal input

berupa sinyal elektronik pada kisaran 4 ~ 20 mA DC dimana pada posisi

control valve terlihat sudah menggunakan sistem digital. Pada umumnya

pembacaan posisi control valve pada 4 mA DC yaitu control valve pada

posisi tertutup (full close) sedangkan pada posisi 20 mA DC posisi control

valve adalah terbuka (full open). Jika disimpulkan range input sinyal

elektronik positioned terhadap bukaan control yaitu;

- 4 mA DC bukaan control valve sebesar 0%






15


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. Arti

kata HART sendiri adalah High Addressable Remote Transducer, dimana

jika positioned telah menggunakan memiliki kelebihan antara lain:

- Dapat mengkonfigurasi program secara otomatis

- Kalibrasi secara otomatis

- Mendiagnosa secara otomatis

a. Positioner

Pneumatik/Type

HTP

e. Positioner Smart/Type

AVP300

b. Positioner HART/Type

AVP302

c.

d.

Gambar No.3 Tipe-Tipe Positioner

Sumber: Yamatake Corporation

1-12-2 Kawana, Fujisawa, Kanagawa 251-8522, Japan

AGVB/AGVM Top-Guide Single Seat Control Valve


16


C. Pressure Air Regulator

Peran regulator udara bertekanan yang terdapat saringan/filter di dalamnya

yang terpasang pada unit control valve 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 control valve

Gambar No.4 Pressure Air Regulator Type KZ03





17


D. Solenoid Valve

Solenoid valve adalah gabungan antara sistem elektrik dan mekanis

(katup elektromekanis) yang terpasang pada sistem control valve berfungsi

mengendalikan tekanan udara yang masuk ke aktuator. Arus yang di

gunakan secara umum adalah arus searah/DC (direct current) yaitu 24 VDC.

2.1.2 Terminologi Sliding-Stem Control Valve

Pada umumnya istilah tipe sliding-stem control valve yaitu valve

sorong/dorong dimana stem/as/shaft valve pergerakkan untuk menutup atau

membuka aliran fluida. Tipe yang lazim menggunakan tipe sliding/dorong yaitu

tipe globe valve. Adapun persentase pergerakkan menutup/membuka valve dapat

di monitor travel valve tesebut. Gambar dibawah ini adalah tipe sliding-stem

control valve, dimana item valve stem yang telah terangkai sedemikian rupa akan

bekerja mendorong plug stem untuk menutup dan mengangkat plug stem untuk

membuka aliran fluida.

Gambar No.5 Solenoid Valve Type J320b175





18


Gambar No.6 sliding-stem control valve

Sumber : Yamatake Corporation



2.1.3 Terminologi Rotary-Shaft Control Valve

Istilah rotary-shaft control valve adalah dimana bagian dari valve yaitu

disc/lempengan/plug yang berfungsi sebagai menutup atau membuka aliran fluida

bekerja dengan cara berputar mengikuti poros/shaft valve tersebut dengan

membentuk sudut 25o, 45

o, 60

o dan 90

o yang disesuaikan oleh Cv control valve.

Tipe valve yang bekerja secara rotasi bisa berupa tipe: ball valve, butterfly valve,

plug valve dan lain sebagainya. Beberapa pabrikan rotary valve telah banyak

memberikan informasi kepada praktisi di industri dalam untuk menentukan

bukaan/travel valve yang diinginkan.


19


Gambar No.7. rotary-shaft control valve

Sumer : Yamatake Corporation



2.2 Klasifikasi control Valve

Ditinjau dari cara kerja valve dan fungsinya, maka valve dapat di kelompokkan

menjadi dua bagian, yaitu manual valve dan automated valve.

2.2.1 Manual Valve

Manual valve 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: ball, globe, butterfly, 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.


20


Gambar No.8. jenis control vslve manual




2.2.2 On-Off Valve

Prinsip kerja suatu tipe On-Off valve yang terpasang pada rangkaian pipa,

yaitu ketika valve di buka maka fluida mulai mengalir dan sebaliknya ketika valve

di tutup, maka fluida pun berhenti mengalir. Garis besar tugas on-off valve ialah

untuk menutup penuh (fully closed) ataupun membuka penuh (fully opened).

Komponen-komponen yang terpasang pada On-Off valve yaitu berupa air

regulator dan solenoid valve.

Manual Ball Valve dengan

penggerak Lever/Tungkai

Manual Gate Valve dengan

penggerak hand wheel

r/Tungkai

Manual Butterfly Valve dengan

penggerak Lever/Tungkai

Manual Globe Valve dengan

penggerak hand wheel

/Tungkai


21


Gambar No.9. on off valve




2.2.3 Self Operated Valve

Pada Self operated Valve, tidak membutuhkan energy luar seperti listrik

dan udara bertekanan. Sistem valve ini dapat bekerja sendiri dengan bantuan

sensor – sensor, sesuai dengan tujuan pengoperasian Valve ini. Self operated valve

sering dipakai sebagai pengatur temperature, flow, pressure, ataupun differential

pressure suatu fluida kerja.

Gambar No.10. Self Operated Valve





22


2.2.4 Control Valve

Control Valve merupakan elemen pengendali akhir yang banyak

digunakan pada industry modern. Pada umumnya control Valve terdiri dari tiga

bagian utama yaitu ; Body Valve, Actuator, serta positioner. Body valve adalah

tempat dimana fluida yang mengalir akan dikondisikan sesuai kebutuhan

perancang baik dari segi flow, temperature, maupun pressure. Sedangkan Actuator

berfungsi sebagai penggerak dari komponen body valve setelah merubah signal

pneumatic maupun electric dari positioner menjadi energy mechanic untuk

mengatur pembukaan valve tersebut. Positioner berperan sebagai pemberi signal

pengaturan kepada actuator setelah mendapat data-data kondisi kerja dari sensor-

sensor serta berdasarkan penyetelan awal yang dikondisikan sesuai kebutuhan

penggunanya.

Gambar No.11. control valve





23


2.3 Konsep Kerja Control Valve

Katup adalah komponen dengan lubang variabel,yang memungkinkan bisa

mengatur aliran fluida. Kontrol valve adalah aktuator sistem yang teregulasi, dan

ini berarti bahwa komponen konrol valve sangat signifikan penting. Hal ini untuk

alasan bahwa katalog yang diterbitkan oleh produsen valve sangat baik disajikan

dan merupakan terbaik

2.3.1 Dead Band Zona Control Valve

Dead band mempunyai peran utama untuk variabilitas proses yang

berlebihan, dan control valve 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


24


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

Actuator dan desain positioner harus dipertimbangkan bersama-sama.

Kombinasi dari kedua peralatan ini sangat mempengaruhi kinerja statis

(dead band), serta 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 diperoleh melalui preamplifier, mirip dalam fungsi ke

preamplifier yang terkandung dalam ketepatan sound system yang tinggi. Dalam

banyak positioner pneumatik, nozzle-flapper atau serupa perangkat ini berfungsi

sebagai Keuntungan statis tinggi preamplifier.


25


2.4 Fungsi Control Valve

Di era industri yang maju begitu pesat saat ini, penggunaan control valve

sebagai final control element dalam suatu proses produksi telah banyak digunakan

sesuai dengan peruntukannya, semisal control valve tersebut dititik beratkan untuk

di aplikasikan pada flow, temperature, pressure dan lain sebagainya. Berikut

adalah fungsi dari control valve :

2.4.1 Flow Control

Untuk memudahkan identitas sebuah control valve yang di aplikasi pada

area tertentu, maka perlu di berikan Tag. No agar lebih mudah di monitor. Sebuah

control valve yang dititikberatkan untuk mencapai flow tertentu, maka sering di

singkat dengan nama FCV atau flow control valve.

2.4.2 Pressure Control



control valve yang dititikberatkan untuk mencapai pressure tertentu, maka sering

di singkat dengan nama PCV atau pressure control valve.

2.4.3 Level Control



control valve yang dititikberatkan untuk mencapai level sebuah permukaan, maka

control valve pada area tersebut sering di singkat dengan nama LCV atau level

control valve.


26


2.4.4 Temperature Control



control valve yang dititikberatkan untuk menghandle temperatur tertentu, maka

sering di singkat dengan nama TCV atau Temperature Control Valve. Biasanya

tipe TCV banyak di aplikasikan pada system line boiler.

2.5 Terminologi Aliran Control Valve

2.5.1 Flow Coefficient (Cv) Prinsipal

Dalam menentukan suatu aplikasi unit control valve pada proses aliran

fluida atau gas maka perlu menentukan aliran coefficient atau Cv yaitu gunanya

untuk menentukan kapasitas aliran terhadap kekuatan bodi valve dan ukuran trim

(bagian valve yang bekerja secara dinamis, seperti plug, stem/as dan seat

ring/dudukan untuk plug). Definisi kenaikan 1 Cv yaitu pada 1 m3 per detik

(m3/det) pada temperature 15,5oC pada saat fluida mengalir pada valve dengan

beda tekanan/pressure drop 0,07 bar. Pada umumnya, untuk mendapatkan Cv

yang tepat dapat menggunakan persamaan sebagai berikut :

a

f

P P

G

F

QCv

(1.1)

Dimana: Cv = Flow coefficient

Q = Aliran dalam (m3/det)

Fp = Piping geometry factor


27


∆Pa = Allowable pressure drop melalui valve (bar)

Gf = Specific gravity

∆P = Pressure Drop dalam (bar)

2.5.2 Perhitungan Cv Untuk Fluida Cair

Dalam memenentukan ukuran, rating serta flow coefficient control valves

yang akan dialirkan pada fluida cair atau gas sering disebut dengan istilah sizing

control valves, maka dari itu diperlukan pemahaman yang memadai dengan suatu

acuan persamaan yang telah di sepakati oleh pabrikan control valve di seluruh

dunia dengan nama organisasi ANSI/ISA-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 control valve, yaitu:

1. Menghitung aktual pressure drop dengan persamaan:

21 PPP (1.2)

Dimana :

P1 = Inlet Pressure(bar) P2 = Out let Pressure (bar)

2. Memeriksa aliran tersedak/choked flow, kavitasi dan flashing dengan

persamaan:


28


)( 1

2

VFLch PFPFP (1.3)

Dimana:

psia pressure,Inlet

psia inlet, re temperatupada pressureVapor

factor ratio pressure critical Liquid

factorrecovery pressure Liquid

1

P

P

F

F

V

F

F

FF dapat di estimasikan dengan persamaan:

C

V

FP

PF 28.096.0 (1.4)

Dimana: FF = Liquid critical pressure ratio

Pv = vapor pressure dari liquid (bar)

Pc = Critical pressure dari liquid (bar)

Jika ∆Pch (persamaan 1.3) kurang dari actual ∆P (persamaan 1.2), gunakan

∆Pch untuk ∆Pa dalam persamaan 1.1.


29


Tabel No 1. Tabel Tipical koefisien katup dan faktor kavitasi Sumber : Yamatake Corporation




30


Grafik No.1.grafik perbandingan antara flow value dan presentaseCv Sumber : Yamatake Corporation



Tabel No 2. Tabel tekanan kritis fluida Sumber : Yamatake Corporation




31


Kemudian memeriksa ∆P (kavitasi) dengan persamaan:

)()( 1

2

Vi PPFCavitaionP (1.5)

Dimana:

Fi = Liquid kavitasi faktor (tabel 3-1)

P1 = Inlet pressure (bar)

Pv = Vapor pressure liquid (bar)

3. Menentukan spesifik gravity/berat jenis fluida yang dialirkan.

Berat jenis pada umumnya tersedia pada aliran yang mengalir pada

temperature operasi. Contoh air, berat jenisnya 0.94

4. Menghitung perkiraan Cv Fp menggunakan persamaan 1.1 dan

mengasumsikan Fp adalah 1.0

Pada umumnya efek dari aliran non-turbulent dapat di abaikan,

asalkan valve tidak beroperasi pada suatu aliran laminar atau area aliran

trasitional yang mengakibatkan viskositas naik, kecepatan fluida menjadi

rendah atau Cv yang kecil.

Contoh: 4.33210

94.0500 VC

5. Memlilih Ukuran valve berdasarkan Cv

Jika terdapat contoh Cv type valve dengan flow-under, equal

percentage pada class 600, maka ukuran bodi valve dengan Cv 33.4 adalah

2 inch (50.8mm).

6. Menghitung valve dengan bilangan Reynolds Rev dan faktor bilangan

Reynolds FR dengan persamaan:


32


Rev = 4

1

4

2

22

4

dN

CF

CFv

qFN vL

vL

d (1.6a)

Gunakakan persamaan 1.6b untuk menghitung bilangan faktor

Reynolds FR jika Rev <40,000 dan FR = 1.0

FR =

655.0

358.0044.1

Vt

VS

C

C (1.6b)

Dimana:

Cvs = 3

2

1

PN

q

F SS

(1.6c)

Fs =

61

4

2

22

31

32

dN

CF

F

F VL

L

d (1.6d)

Dimana:

V = fG

7. Menghitung ulang Cv menggunakan bilangan faktor Reynolds dengan

persamaan :

21 PP

G

F

qC

f

R

v

(2.6e)

8. Mengitung ulang faktor geometry pipa

9. Menghitung final Cv

10. Menghitung masuk atau keluar velocity dalam suatu aliran fluida dengan

menggunakan persamaan:

VAV

q 321.0 (1.7)


33


2.6 Karakteristik Aliran Control Valve

Karakteristik aliran sebuah control valve adalah hubungan antara laju

aliran melalui pembukaan (opening) valve dengan variasi rentang dari 0-100%.

Karakter aliran yang melekat pada sebuah control valve mengacu pada

pengamatan secara terus menerus penurunan tekanan melalui valve. Menetapkan

suatu karakteristik aliran berarti satu peralatan digunakan untuk mendapatkan

variasi penurunan tekanan terhadap aliran yang berhubungan dengan perubahan

sistem lainnya. Diperlukannya karakteristik aliran bertujuan untuk

menyeragamkan secara keseluruhan keseimbangan control loop 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 control loop. Analisis proses

harus terlebih dulu di lakukan, agar panduan pemilihan karakteristik aliran yang

akan di pilih menjadi akurat. Control valve pada umumnya memiliki 3 (tiga)

karakteristik aliran yang ideal, yaitu Quick Opening, Linear dan Equal

Percentage, dimana aliran yang melalui sebuah valve adalah sebanding dengan

luasan dari bukaan dan akar kuadrat dari penurunan tekanan yang terjadi pada

valve


34


2.6.1 Quick Opening

Pada area bukaan valve (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

valve/travel yang relatif kecil. Karakteristik quick opening sangat tepat di

aplikasikan pada on-off valve.

Gambar.No.12 Karakteristik Aliran Control Valve

Sumber KLM Technology Group

Practical Engineering Guidelines for Processing

Plant Solutions

Gambar.No.13 Counter Cage untuk aliraQuick Opening


Practical Engineering Guidelines for Processing Plant Solutions


35


2.6.2 Equal Percentage

Karakteristik equal percentage/persentase sama sering digunakan pada

proses control yaitu aliran yang menyatakan perubahan travel bukaan valve yang

besar namun aliran semakin lambat. Berikut adalah bentuk cage/tempat dudukan

plug untuk karakteristik aliran equal percentage.

Gambar.No.14 counter cage untuk aliran equal percentage



2.6.3 Linear

Karakteristik ini menyatakan bahwa besarnya aliran yang proporsional

dengan bukaan valve/travel atau dengan kata lain travel bukaan berbanding lurus

dengan flow ratenya. Jika bukaan valve sebesar sepuluh persen maka flow rate

pun mengalir sebesar sepuluh persen. Control valve 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.No.15 counter cage untuk aliran linear




36


2.7 Analisa Aliran Turbulent Terhadap Aliran Fluida Cair

Pada Control Valve AGVB ANSI 150 Dan ANSI 300

2.7.1 Sifat – Sifat Fisik Fluida

2.7.1.1 Viskositas

Viskositas adalah sifat yang menentukan besar daya tahan fluida terhadap

gaya geser. Hal ini terutama diakibatkan oleh saling pengaruh antara molekul-

molekul fluida. Viskositas zat cair menyebabkan terbentuknya gaya geser antara

elemen-elemennya.Bila suatu fluida mengalami geseran, ia mulai bergerak dengan

laju regangan yang berbanding terbalik dengan suatu besaran yang disebut

koefisien viskositas, viskositas dinamis atau viskositas mutlak (White, 1988).

Gambar No. 16. Suatu unsur fluida meregang dengan laju δuδt .

Sumber universitas negeri Semarang

Analisis distribusi tekanan fluida cair yang melalui elbow 900 dengan variasi jari

– jari kelengkungan dan kapasitas aliran fluida

Gambar di atas menunjukkan suatu unsur fluida yang mendapat geseran

di suatu bidang karena tegangan geser tunggal τ , dan sudut regangan geser δθ .

Sudut regangan geser δθ akan terus membesar selama tegangan τ bekerja, dan


37


permukaan di bagian atas bergerak dengan kecepatan δu yang lebih besar dari

kecepatan pada bagian bawah. Hubungan antara geseran yang dikenakan dengan

laju regangan yang diakibatkan adalah:

τ = 𝛿𝜃

𝛿𝑡 ................................................... (1.8)

Dari geometri pada Gambar 16 diketahui bahwa:

tan δθ = 𝛿𝜐 .𝛿𝑡

𝛿у .................................................. (1.9)

Bila tercapai batas infinitesimal, maka persamaan akan menjadi

hubungan antara laju regangan geser dengan gradien kecepatan.

𝛿𝜃

𝛿𝑡=

𝛿𝑢

𝛿𝑦 .................................................. (2.0)

Maka tampak dari persamaan tersebut bahwa tegangan geser yang

bekerja juga berbanding langsung dengan gradien kecepatan. Konstanta

kesebandinganya adalah koefisien viskositas μ .

τ = µ𝛿𝜃

𝛿𝑡= µ

𝛿𝑢

𝛿𝑦 = ................................................. (2.1)

dengan, τ = tegangan geser (m)

μ = viskositas dinamis (N.det/m2)

y = arah yang tegak lurus dengan aliran fluida (m)

u = kecepatan aliran fluida (m/det)

Gambar 17 dibawah ini menunjukkan bagaimana viskositas

mempengaruhi profil aliran dalam suatu saluran.


38


Gambar No.17. Efek viskositas terhadap aliran fluida di dalam suatu

saluran. (Sumber: Orianto, 1989)

Fluida yang tegangan gesernya berhubungan secara linear dengan laju

regangan gesernya digolongkan sebagai fluida Newtonian, sedangkan fluida yang

tegangan gesernya tidak berhubungan secara linear dengan laju regangan gesernya

digolongkan sebagai fluida Non-Newtonian (Munson, 2003) Selain viskositas

dinamis, kita juga mengenal adanya viskositas kinematis. Viskositas kinematis

adalah perbandingan antara viskositas dinamis dengan densitas ( Orianto, 1989).

ʋ = µ / ρ .……………………………….. (2.2)

dengan, υ = Viskositas kinematis (m2/det)

μ = Viskositas dinamis (N.det/m2)

ρ = Densitas (kg/m3)


39


Grafik No.2 hubungan antara viskositas dinamik dengan temperatur

Sumber universitas negeri Semarang

Analisis distribusi tekanan fluida cair yang melalui elbow 900 dengan variasi jari

– jari kelengkungan dan kapasitas aliran fluida


40


2.7.1.2 Tekanan

Tegangan normal pada setiap bidang yang melalui unsur fluida yang

diam mempunyai nilai unik yang disebut tekanan fluida (White, 1988). Tekanan

fluida dipancarkan dengan kekuatan yang sama kesemua arah dan bekerja tegak

lurus pada suatu bidang. Tekanan dinyatakan sebagai gaya yang dibagi dengan

luas bidang kerjanya (Giles, 1984).

𝑝 = 𝑑𝑃

𝑑𝐴 .................................................. (2.3)

Untuk keadaan dimana gaya P terdistribusi merata diatas suatu luasan,

maka:

𝑝 = 𝑃

𝐴 ................................................... (2.4)

Dengan, p = tekanan (N/m2)

P = gaya (N)

A = luas bidang kerja (m2)

Tekanan pada sebuah titik dalam sebuah massa fluida dapat diartikan

sebagai sebuah tekanan mutlak (absolute pressure) atau dapat juga diartikan

sebagai tekanan pengukuran (gage pressure). Tekanan mutlak diukur relatif

terhadap suatu keadaan hampa sempurna (tekanan nol mutlak), sedangkan tekanan

pengukuran diukur relatif terhadap tekanan atmosfer setempat.

Tekanan mutlak selalu bernilai positif, sedangkan tekanan pengukuran

dapat bernilai positif maupun negatif. Tekanan pengukuran bernilai positif apabila

nilainya di atas tekanan atmosfer, dan bernilai negatif apabila nilainya berada

dibawah tekanan atmosfer.


41


.

Gambar No.18. representasi grafik tekanan pengukuran dan tekanan mutlak.

(Sumber: munson,2003)

Salah satu alat ukur tekanan pada fluida adalah Manometer. Alat ukur

tekanan ini melibatkan penggunaan kolom cairan dalam tabung-tabung tegak atau

miring (Munson, 2003). Tipe manometer yang sangat sering digunakan adalah

manometer tabung U. Fluida yang berada dalam manometer disebut sebagai fluida

pengukur. Hasil pengukuran tekanan pada manometer jenis ini dinyatakan dalam

berbagai ketinggian kolom, tergantung dari jenis fluida pengukurnya.

Tekanan Di bawah ini adalah gambar manometer tabung U dan

perhitungan tekanan fluida dalam suatu sistem saluran dengan menggunakan

fluida pegukur air raksa (Hg).


42


Gambar No.19. manometer tekanan positif

(Sumber: munson,2003)

Tekanan di B = Tekanan di C

pA + γair . hair = patm + γHg . hHg

jadi, tekanan relatif di titik A adalah:

pA = 0 + γHg . hHg – γ air . h air

pA = γHg . hHg – γ air . h air ….......………………. (2.5)

Gambar No.20. manometer tekanan positif

(Sumber: munson,2003


43


Tekanan di B = Tekanan di C

pA + γair . hair + γHg . hHg = 0

jadi, tekanan relatif titik A adalah:

pA = - γair . hair - γHg . hHg

pA = - (γair . hair + γHg . hHg) …………....... (2.6)

2.7.1.3 Kecepatan

Untuk mengetahui kecepatan aliran fluida cair di dalam tabung atau pipa

dapat digunakan tabung pitot, sebuah manometer tabung terbuka dihubungkan

dengan pipa yang dialiri fluida, seperti terlihat pada gambar 21. Tekanan dalam

kaki kiri manometer yang lubangnya sejajar dengan aliran gas sama dengan

tekanan didalam aliran fluida. Tekanan yang berada di dalam kaki kanan yang

lubangnya tegak lurus dengan aliran fluida dapat dihitung dengan persamaan

Bernoulli pada titik A dan B. Misalnya v adalah kecepatan, ρ adalah densitas, dan

pA adalah tekanan di titik A, kecepatan di titik B sama dengan nol, sehingga

persamaan Bernoulli di titik A dan B.

karena pB lebih besar dari pA maka fluida didalam manometer akan

seperti pada gambar no.21. Jika ρ adalah densitas fluida dalam manometer dan h

selisih tinggi fluida dalam kedua kakinya,

maka diperoleh:

Dimana : v = kecepatan fluida

h = selisih tinggi fluida dalam kedua kakinya

ρ = densitas fluida


44


Gambar No.21. tabung pitot

(Sumber: sear Zemansky,1986)

Pada suatu fluida nyata yang melalui sebuah penampang A dan pada

debit aliran Q, maka kecepatan rata-rata aliran bisa didapat dengan menggunakan

persamaan kontinuitas aliran sebagai berikut:

Dengan, V = Kecepatan rata-rata (m/det)

Q = Debit aliran (m3/det)

A = Luas penampang saluran (m2).

2.7.1.4 Densitas (ρ)

Densitas adalah massa dari materi atau zat setiap satu satuan volumenya.

Kerapatan atau densitas dari fluida akan mempengaruhi jenis aliran dari fluida,

bila ditinjau dari bilangan Reynold-nya.


45


Densitas suatu zat atau materi dapat dilihat dari temperaturnya. Semakin

tinggi temperatur dari zat atau materi maka densitas dari zat tersebut akan semakin

rendah sehingga kecepatan akan semakin tinggi.

Gambar No.22. kerapatan air sebagai fungsi temperatur

(Sumber: sear Zemansky,1986

2.7.1.5 Berat jenis (γ )

Berat jenis suatu zat adalah beratnya per satuan volume, atau merupakan

perkalian dari kerapatan ( ρ ) dengan percepatan gravitasi (g).

Dengan, γ = berat jenis (N/m3)

ρ = densitas (kg/m3)

g = percepatan gravitasi (m/det2)


46


2.7.2 Jenis - Jenis Aliran Fluida

2.7.2.1 . Aliran Laminar dan Turbulen

Aliran laminar adalah aliran dimana struktur aliranya terdiri dari gerakan

partikel-partikel fluida yang mengalir mengikuti lintasan terpisah yang tidak

berpotongan satu sama lainnya, dengan sedikit atau tanpa pusaran. Ciri aliran

laminar adalah kecepatan alirannya rendah, dimensi linear yang kecil dan

viskositas yang besar.

Aliran turbulen adalah suatu aliran dimana partikel-partikel fluidanya

mengalir tidak beraturan dan lintasanya saling berpotongan antara satu dengan

yang lain. Ciri aliran turbulen adalah kecepatan aliran yang tinggi, dimensi linear

yang besar dan viskositas fluida yang rendah. Aliran turbulen merupakan salah

satu fenomena aliran fluida yang banyak ditemukan dalam aplikasi praktek dunia

keteknikan. Misalnya pada analisa aliran jet dua dimensi, aliran dalam pipa, aliran

pada plat sejajar, dan banyak analisa aliran lain yang lebih kompleks.

Turbulensi didefinisikan sebagai pola aliran acak dan kacau, dimana nilai

parameter kecepatan dan tekanan fluida selalu berubah-ubah menurut fungsi

waktu dan jarak pada aliran. Pemodelan CFD untuk aliran turbulen dilakukan

dengan menggunakan persamaan Navier-stokes yang memperhitumgkan fluktuasi

yang terjadi, dimana efek fluktuasi kecepatan menimbulkan penambahan

tegangan pada fluida kerja.

Aliran laminar atau turbulen sangat dipengaruhi oleh sifat fisik dari fluida

yang mengalir, misalnya kecepatan aliran, densitas, viskositas dan diameter

saluran. Untuk mengetahui apakah suatu aliran itu laminar atau turbulen dapat

dilihat dari Bilangan Reynold-nya.


47


Bilangan Reynold (Re) merupakan suatu nilai yang dipakai untuk

menunjukkan jenis aliran , yaitu aliran laminar atau turbulen. Untuk aliran

didalam pipa, aliran bersifat laminar bila Re< 2100 dan aliran bersifat turbulen

jika Re>4100. Bilangan Reynold dipengaruhi oleh dimensi saluran, kecepatan

aliran, rapat masa dan viskositas dari fluida yang mengalir. Secara matematis

bilangan ini dapat di tulis: (Church, 1986)

Dengan, ρ = densitas (kg/m3)

μ = viskositas dinamis (N. det/m2)

d = diameter dalam dari saluran (m)

υ = viskositas kinematis (m2/det)

γ = berat jenis fluida (N/m3)

Berdasarkan bilangan Reynold-nya, aliran dapat dikelompokkan sebagai

berikut (White, 1986):

0 < Re < 1 = gerak merayap berlapis yang sangat kental.

1 < Re < 102 = berlapis, sangat tergantung pada bilangan Reynold

102

< Re < 2100 = berlapis

2100 < Re < 4100 = transisi ke aliran turbulen

4100 < Re < 106

= bergolak, sangat tergantung pada bilangan reynold

Re > 106 = bergolak


48


2.7.2.2 Aliran kompressibel dan inkompressibel

Aliran inkompressible adalah aliran dimana variasi atau perubahan

densitas sepanjang medan aliran adalah kecil atau relatif tidak berarti, sebaliknya

bila variasi densitas relatif besar maka aliran disebut dengan aliran kompressibel.

Aliran fluida inkompressibel selalu bersifat inkompressibel sedangkan aliran

fluida kompressibel bisa jadi bersifat kompressibel maupun inkompressibel. Zat

cair merupakan contoh fluida inkompressibel, sehingga alirannya merupakan

aliran inkompressibel.

2.7.3 Bilangan Reynold

Dalam mekanika fluida , dengan bilangan Reynolds Re adalah nomor

berdimensi yang memberikan ukuran dari rasio dari gaya inersia untuk viskos

akibatnya kekuatan dan mengkuantifikasi kepentingan relatif dari dua jenis

kekuatan untuk kondisi aliran tertentu.

Konsep ini diperkenalkan oleh George Stokes Gabriel pada tahun 1851,

tetapi bilangan Reynolds dinamai Osborne Reynolds (1842-1912), yang

memopulerkan penggunaannya pada tahun 1883.

Bilangan Reynolds sering timbul saat melakukan analisis dimensi dari

masalah dinamika fluida, dan dengan demikian dapat digunakan untuk

menentukan keserupaan dinamis antara kasus percobaan yang berbeda.

Mereka juga digunakan untuk karakterisasi rezim aliran yang berbeda,

seperti laminar atau turbulen aliran: aliran laminar terjadi pada bilangan Reynolds

yang rendah, dimana pasukan viskos yang dominan, dan ditandai oleh halus,

http://en.wikipedia.org/wiki/Fluid_mechanics

http://en.wikipedia.org/wiki/Dimensionless_number



http://en.wikipedia.org/wiki/Ratio

http://en.wikipedia.org/wiki/Inertial_force

http://en.wikipedia.org/wiki/Viscous

http://en.wikipedia.org/wiki/George_Gabriel_Stokes

http://en.wikipedia.org/wiki/Osborne_Reynolds

http://en.wikipedia.org/wiki/Dimensional_analysis

http://en.wikipedia.org/wiki/Dynamic_similitude

http://en.wikipedia.org/wiki/Laminar_flow

http://en.wikipedia.org/wiki/Turbulent


49


gerakan fluida konstan; aliran turbulen terjadi pada bilangan Reynolds yang

tinggi dan didominasi oleh gaya inersia, yang cenderung menghasilkan

kacau pusaran , vortisitas dan ketidakstabilan aliran lainnya.

`2.7.3.1 Definisi

Bilangan Reynolds dapat didefinisikan untuk sejumlah situasi yang

berbeda di mana fluida berada dalam gerak relatif terhadap permukaan (definisi

bilangan Reynolds tidak menjadi bingung denganPersamaan Reynolds atau

persamaan pelumasan). Definisi ini umumnya termasuk sifat-sifat fluida

kepadatan dan viskositas, ditambah kecepatan dan sebuah panjang

karakteristik atau dimensi karakteristik . Dimensi ini adalah masalah konvensi -

misalnya radius atau diameter sama-sama berlaku untuk lingkungan atau

lingkaran, tapi satu yang dipilih oleh konvensi. Untuk pesawat atau kapal, panjang

atau lebar dapat digunakan. Untuk aliran dalam pipa atau bola bergerak dalam

cairan diameter internal yang umumnya digunakan saat ini. Bentuk lain (seperti

pipa persegi panjang atau non-bola objek) memiliki diameter

setara didefinisikan. Untuk cairan kepadatan variabel (gas kompresibel misalnya)

atau variabel viskositas ( non-Newtonian cairan ) aturan khusus

berlaku. Kecepatan juga dapat menjadi masalah konvensi dalam beberapa

keadaan, terutama pada baling-baling kapal.

http://en.wikipedia.org/wiki/Eddy_(fluid_dynamics)

http://en.wikipedia.org/wiki/Vortex

http://en.wikipedia.org/wiki/Reynolds-averaged_Navier%E2%80%93Stokes_equations

http://en.wikipedia.org/wiki/Characteristic_length



http://en.wikipedia.org/wiki/Non-Newtonian_fluid


50


di mana:

= kecepatan rata-rata dari objek relatif terhadap cairan ( SI unit : m / s)

L=dimensi linier karakteristik, (panjang perjalanan dari cairan; diameter

hidrolik ketika berhadapan dengan sistem sungai) (m)

μ = viskositas dinamis dari fluida (Pa ° S atau N ° S / m² atau kg / (m ° S))

ν = viskositas kinematik ( ν = μ / ρ ) (m² / s)

= densitas dari fluida (kg / m³)

2.7.3.2 Aliran dalam Pipa

Untuk aliran dalam pipa atau tabung, bilangan Reynolds umumnya

didefinisikan sebagai:

di mana:

D H adalah diameter pipa, panjang karakteristik perjalanan nya, L ,

(m).

Q adalah volumetrik laju aliran (m 3 / s).

Sebuah adalah pipa penampang daerah (m²).

http://en.wikipedia.org/wiki/SI_units

http://en.wikipedia.org/wiki/Hydraulic_diameter



http://en.wikipedia.org/wiki/Dynamic_viscosity

http://en.wikipedia.org/wiki/Fluid

http://en.wikipedia.org/wiki/Kinematic_viscosity

http://en.wikipedia.org/wiki/Density

http://en.wikipedia.org/wiki/Flow_conditioning

http://en.wikipedia.org/wiki/Flow_rate


51


adalah kecepatan rata-rata dari objek relatif terhadap cairan ( SI

unit : m / s).

μ adalah viskositas dinamis dari fluida (Pa ° S atau N ° S / m² atau

kg / (m ° S)).

ν adalah viskositas kinematik ( ν = μ / ρ ) (m² / s).

adalah densitas dari fluida (kg / m³).

2.7.3.3 Aliran dalam saluran non-melingkar (anulus)

Untuk bentuk seperti kotak, saluran empat persegi panjang atau annular

(dimana tinggi dan lebar yang sebanding) dimensi karakteristik aliran internal

untuk situasi diambil menjadi diameter hidrolik ,D H , yang didefinisikan sebagai

4 kali luas penampang (dari fluida ), dibagi dengan perimeter dibasahi . Perimeter

dibasahi untuk saluran adalah perimeter total dari semua dinding saluran yang

berada dalam kontak dengan aliran. Hal ini berarti panjang air terkena udara

TIDAK termasuk dalam perimeter dibasahi

Untuk pipa melingkar, diameter hidrolik adalah persis sama dengan

diameter pipa di dalam, seperti yang dapat ditampilkan secara matematis.

Untuk saluran melingkar, seperti saluran luar dalam tabung-di-

tabung penukar panas , diameter hidrolik dapat ditampilkan aljabar untuk

mengurangi sampai.




http://en.wikipedia.org/wiki/Dynamic_viscosity

http://en.wikipedia.org/wiki/Fluid

http://en.wikipedia.org/wiki/Kinematic_viscosity

http://en.wikipedia.org/wiki/Density


http://en.wikipedia.org/wiki/Heat_exchanger


52


D H , anulus = D o - D i

dimana

D o adalah diameter dalam pipa luar, dan

D i adalah diameter luar dari pipa di dalamnya.

Untuk perhitungan yang melibatkan aliran non-melingkar saluran,

diameter hidrolik dapat digantikan untuk diameter saluran melingkar, dengan

akurasi yang wajar.

2.7.3.4 Transisi Bilangan Reynold

Dalam lapisan batas mengalir di atas sebuah piring datar, percobaan

mengkonfirmasi bahwa, setelah panjang tertentu dari aliran, lapisan batas laminar

akan menjadi tidak stabil dan menjadi bergolak.Ketidakstabilan ini terjadi di skala

yang berbeda dan dengan cairan yang berbeda .

Untuk aliran dalam pipa berdiameter D , pengamatan eksperimental

menunjukkan bahwa untuk aliran 'sepenuhnya dikembangkan , aliran laminar

terjadi ketika Re D <2100 dan aliran turbulen terjadi ketika Re D > 4100 . Dalam

interval antara 2100 dan 4100, laminar dan aliran turbulen yang mungkin ('transisi'

arus), tergantung pada faktor-faktor lain, seperti kekasaran pipa dan keseragaman

aliran). Hasil ini umum untuk non-saluran melingkar menggunakan diameter

hidrolik , yang memungkinkan transisi bilangan Reynolds dihitung untuk bentuk

lain dari saluran.

Ini transisi Reynolds nomor juga disebut angka penting Reynolds , dan

dipelajari oleh Osborne Reynolds sekitar 1895

http://en.wikipedia.org/wiki/Boundary_layer




http://en.wikipedia.org/wiki/Laminar-turbulent_transition


53


bilangan Reynolds dalam gesekan pipa

Gambar No.23. diagram moody

Sumber : obsome reynolds, 1985

Tekanan turun terlihat untuk aliran berkembang penuh cairan melalui

pipa dapat diprediksi menggunakan diagram Moodyyang plot Darcy-Weisbach

faktor gesekan f terhadap bilangan Reynolds Re dan kekasaran relatif . Diagram

jelas menunjukkan laminar, transisi, dan rezim aliran turbulen sebagai

peningkatan bilangan Reynolds. Sifat aliran pipa sangat tergantung pada apakah

aliran laminar atau turbulen

is i 2510637492156

Documents