## Analisis Perbedaan Tekanan Fluida pada Ball Valve
Kondisi Full Closed dan Full Open dengan Computational Fluid Dynamics
Meri Rahmi 1 , Dellfika Canra 2 , Suliono 3
1,2,3 Teknik Mesin-Politeknik Negeri Indramayu
1,2,3 Indramayu, Indonesia E-mail : meri@polindra.ac.id 1 , delffika.canra@polindra.ac.id 2 , suliono@polindra.ac.id 3

## Abstrak
Ball valve merupakan salah satu katup tipe gerak memutar . Ball valve berfungsi sebagai pengontrol aliran berbentuk disc seperti  bola .  Ball  valve banyak  digunakan  karena  mudah  dalam  perbaikan  dan kemampuan menahan tekanan dan suhu tinggi. Aliran fluida dalam ball valve tidak selalu mengalir, ada saatnya aliran ditutup. Tekanan fluida pada kondisi tertutup berbeda dengan kondisi terbuka. Hal ini akan berdampak  terhadap  kekuatan ball  valve sebagai  katup. Tekanan  yang besar atau  melebihi  spesifikasi akan mempengaruhi mekanisme kerja ball valve dan kekuatan material ball valve . Pengaruh tekanan ini menjadi sangat penting dalam ball valve karena tekanan fluida dengan temperatur, pada kondisi tertentu bisa  diluar  batas  spesifikasi  khususnya ball  valve 4 inch  ANSI 300.  Hal  ini  menjadi  faktor  penting, terutama dalam faktor keamanan. Untuk itu, penelitian ini bertujuan untuk melakukan analisis perbedaan tekanan fluida yang terjadi pada ball valve 4 inch ANSI 300 saat kondisi tertutup ( full closed ) dan kondisi terbuka ( full open ) pada temperatur fluida 425 o C terhadap mekanisme kerja ball valve 4 inch ANSI 300. Metode  yang  digunakan  adalah Computational  Fluid  Dynamics dengan  bantuan software Flow Simulation Solidworks . Berdasarkan hasil analisis, penurunan tekanan fluida dengan temperature 425 o C yang  terjadi  tidak  signifikan  mempengaruhi  kondisi  material ball  valve 4 inch  ANSI 300.  Perbedaan tekanan fluida antara kondisi full closed dengan full open hanya 0.01 psi.
Kata Kunci : CFD, Tekanan, Temperatur, Ball Valve

## Abstract
Ball valve is one type of rotary motion valve. Ball valve serves as a disc-shaped flow controller such as a ball. Ball valve is widely used because it is easy to repair and the ability to withstand high pressure and temperature. The fluid flow in the ball valve does not always flow, there are times the flow is closed. Fluid pressure in closed conditions is different from open conditions. This will affect the strength of the ball valve as a valve. Pressure that large or exceed the specifications will affect the mechanism of work ball valve and ball valve material strength. The effect of this pressure becomes very important in the ball valve  because  of  fluid  pressure  with  temperature,  under  certain  conditions  can  be  beyond  the specification limits, especially 4-inch ball valve ANSI 300. This becomes an important factor, especially in the safety factor. Therefore, this study aims to analyze the difference of fluid pressure occurring in 4 inch ANSI 300 ball valve during full closed condition and full open condition at 425 o C fluid temperature to 4 inch ANSI 300 ball valve mechanism. Method used is Computational Fluid Dynamics with the help of Flow Simulation Solidworks software. Based on the analysis result, the decrease of fluid pressure with 425 o C temperature that happened did not significantly affect the condition of 4 inch ANSI 300 ball valve material. The difference of fluid pressure between full closed condition and full open is only 0.01 psi.
Keywords : CFD , Pressure , Ball Valve

## I. PENDAHULUAN
Katup ( valve ) banyak  digunakan  di berbagai  industri terutama dalam sistem perpipaan. Fungsinya adalah untuk mengendalikan  laju  alir.  Bagi  produsen  katup,  sangat penting  untuk  mengetahui  karakteristik  temperatur  dan tekanan  di  dalam  katup.  Katup  mampu  mengendalikan aliran cairan  maupun  gas dengan  baik  pada  saat  kondisi katup tertutup ( full closed ) atau terbuka ( full open). Ball  valve merupakan  salah  satu  katup  tipe  gerak memutar. Ball  valve adalah  sebuah  katup  dengan
pengontrol  aliran  berbentuk disc seperti  bola. Disc tersebut memiliki lubang yang berada tepat di tengahnya. Pada  posisi  terbuka  ( open ),  lubang  menghadap  searah dengan kedua ujung katup, dan terjadi aliran. Pada kondisi tertutup, posisi lubang berada tegak lurus terhadap ujung katup, maka posisi katup dalam kondisi tutup ( close ) dan aliran akan terhalang.
Ball  valve banyak  digunakan  karena  mudah  dalam perbaikan dan mampu untuk menahan tekanan dan suhu tinggi. Ball valve dapat menahan tekanan hingga 10.000
psi  dan  dengan  temperatur  sekitar  200 o C.  Hal  ini dipengaruhi pada saat pemilihan material ball valve . Kemampuan ball valve menahan  tekanan pada  suhu tinggi, dapat menyebabkan kerusakan serius pada sistem perpipaan.  Penelitian  menyatakan  bahwa  bentuk  aliran dan kondisi aliran dalam ball valve pada kondisi full open dengan kecepatan inlet yang berbeda dapat divisualisasikan dengan menggunakan metode visualisasi arus pelacak partikel (PTFV) [1].
Pengaruh  penurunan  bukaan  katup  mengakibatkan panjang  resirkulasi  meningkat.  Peningkatan  resirkulasi akan berpengaruh terhadap penurunan tekanan fluida [2]. Penelitian  Zhang  hanya  melakukan  analisis  optimisasi desain  terhadap ball  valve dengan  menggunakan flow simulation dan  menyatakan  bahwa  hasil  simulais  aliran dapat membantu dan bisa dijadikan indikator metode yang lebih  baik  [7].  Dalam  penelitian  ini,  akan  melakukan analisis perbedaan tekanan terhadap ball valve pada saat kondisi valve tertutup ( full closed ) dan terbuka ( full open ) dengan  temperatur  425 o C.  Tujuannya  adalah  untuk mengetahui  bagaimana  perubahan  tekanan  akibat temperatur  tinggi  terhadap  kondisi  dan  mekanisme ball valve 4 inch  ANSI 300.  Dengan  metode Computational Fluid  Dynamics dengan software  Solidworks .  Penelitian ini  disusun  sebagai  berikut.  Pendahuluan  diberikan Bagian  I.  Kajian  literatur  terkait  penelitian  ada  pada Bagian II. Bagian III menyajikan metode yang diusulkan. Hasil  analisis  dibahas  pada  Bagian  IV.  Bagian  V menjelaskan tentang kesimpulan.

## II. TINJAUAN PUSTAKA
II.1 Ball Valve Ball  valve merupakan  katup  putar  yang  dapat digunakan  sebagai bagian  kontrol  atau blok  pada  sistem atau  dalam  suatu  proses  aliran.  Umumnya  berutar  90◦ untuk memblokir aliran. Ball valve memiliki kemampuan aliran yang baik pada saat tekanan rendah dan suhu tetap pada kondisi baik. Pemilihan ukuran, desain dan material tertentu  memegang  peranan  penting  dalam  kehandalan dan  kinerja  dari  sistem  pada  saat  bekerja.,  untuk memproduksi katup bola yang andal. Ball valve memiliki karakteristik antara lain; resistansi terhadap cairan ringan, tidak mudah bocor dan daya kerja tinggi. Ball valve tidak hanya  digunakan pada pipa  industri  umum,  juga banyak digunakan di berbagai jaringan pipa industri kedirgantaraan [7].

## II.2 Computational Fluid Dynamics (CFD)
Computational  Fluid  Dynamics (CFD)  merupakan perangkat  lunak  yang  memungkinkan  analisis  aliran fluida,  termasuk  perpindahan  panas  termal  dan  efek konduksi  panas  dalam  cairan  dan  melalui  batas-batas padat  dari  domain  aliran.  Penerapan  CFD  cukup meningkatkan  kinerja  mesin  selama  20  tahun  terakhir, sekaligus mengurangi waktu siklus desain [3].
CFD  berkaitan  dengan  solusi  numerik  persamaan diferensial yang mengatur aliran massa, momentum, dan energi  dalam  bergerak  cairan.  Kesulitan  utama  dalam informasi  empiris  yaitu  terbatasnya  rentang  skala kecepatan  fluida,  suhu,  waktu,  atau  panjang  yang dihasilkan [4].
II.3 Tekanan ( Pressure )
Kekuatan fluida yang terjadi substansinya adalah gaya geser,  tegangan,  dan  kompresi.  Menurut  definisi,  cairan dalam  keadaan  statis  tidak  dapat  menahan  gaya  geser apapun  tanpa  mengalir.  Fluida  yang  dapat  menahan kompresi  kekuatan  disebut  tekanan  ( pressure ).  Tekanan fluida akan dipengaruhi juga oleh tekanan atmosfer yaitu berat per satuan luas udara dan bervariasi dengan kondisi cuaca.  Biasanya  diukur  dengan  barometer,  disebut barometric  pressure [5].  Tekanan  didefinisikan  sebagai gaya  normal  yang  diberikan  oleh  cairan per  satuan  luas. Tekanan dalam padatan adalah tegangan normal [6].
𝑃 = 𝜎 𝑛 = 𝑊 𝐴 𝑓𝑒𝑒𝑡 (1)
Tekanan  fluida  pada  saat  tidak  mengalir,  tidak tergantung  pada  bentuk  atau  penampang  wadah. Perubahan  terjadi  karena  jarak  vertikal.  Konsekuensi tekanan pada cairan, konstan ke arah horizontal sehingga meningkatkan tekanan dalam jumlah yang sama [6].

## II.4 Suhu ( Temperature )
Suhu  merupakan  hal  penting  dalam  termodinamika dalam mempengaruhi aliran dalam sistem perpipaan. Pada suhu konstan, modulus bulk cairan mnegalami penurunan suhu.  Air  merupakan  pengecualian  karena  terjadi peningkatan menjadi nilai maksimum pada 120°F (49°C) dan  penurunan  suhu  diatas  tekanan  atmosfer.  Untuk persamaan suhu cairan dapat didekati dengan persamaan [5]:
𝐸 𝑛= − 𝑣 ( 𝜕𝑝 𝜕𝑣 ) 𝑛 = 𝑣 1 ( 𝑝 2− 𝑝 1 𝑣 1 −𝑣 2 ) 𝑛 (2)

## III. METODE
Bagian ini menjelaskan metode yang digunakan untuk analisis perbedaan tekanan pada ball valve yang di  ulas dalam  penelitian  ini.  Proses  analisis  tekanan  terdiri  dari dua  bagian,  yaitu  pembuatan  model  3D ball  valve dan analisis CFD pada ball valve .
III.1 Pembuatan model 3D ball valve Model ball valve yang akan dianalisis adalah ukuran 4 inch ANSI  300.  Model  dan  material  pembentuknya mengikuti standar ANSI 300. Material utama ball valve
yaitu ASTM A105 dan ASTM A182 GR. F6a. Sedangkan untuk  material gasket dan seal menggunakan  material PTFE. Pembuatan model 3D ball valve ini menggunakan software Solidworks . Model 3D dibuat untuk dua kondisi, yaitu kondisi full closed dan kondisi full open . Model 3D ball valve dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Model geometri ball valve 4 inch -300
Sebelum  analisis,  model  perakitan ball  valve disederhanakan dengan tepat sehingga dapat meningkatkan  keberhasilan  dari  analisis.  Bagian  dalam valve yang penuh dengan fluida ditutup seluruhnya agar mudah  dalam  menentukan  kondisi  batas  saluran  masuk dan  saluran  keluar.  Kondisi  ini  bisa  menggunakan  fitur yang tersedia dalam flow simulation Solidworks .
III.2 Analisis CFD pada Ball Valve Model  3D ball  valve yang  sudah  didesain  sesuai dengan spesifikasi ANSI, selanjutnya dilakukan analisis CFD  dengan Solidwoks  flow  simulation .  Beberapa tahapan dalam analisis CFD antara lain;
1. Penentuan kondisi batas Penentuan  batas  ini  bertujuan  untuk  menentukan posisi inlet dan outlet aliran fluida dalam ball valve . Pada Gambar 3. kondisi full closed dapat dilihat batas 1  sebagai inlet sedanglan  batas  2  sebagai oulet .  Hal yang sama juga berlaku untuk kondisi full open yang dapat dilihat pada Gambar 4.
Gambar 3. Kondisi batas ball valve full closed
Gambar 4. Kondisi batas ball valve full closed

## 2. Penentuan material fluida
Fluida  yang  digunakan  untuk  analisis  CFD  terhadap ball  valve yaitu  fluida  dengan  spesifikasi, dinamic viscosity 7.538x10 -4 Pa.S dan specific heat ratio 4.188 J.  Penentuan  fluida  sendiri  berdasarkan  data  dari industri  yang  sering  menggunakan ball  valve pada sistem perpipaan. Material ini digunakan untuk kedua kondisi valve pada saat analisis.

## 3. Penentuan pembebanan
Pembebanan pada saat analisis dengan menggunakan CFD  adalah  tekanan  dan  temperatur.  Tekanan  yang diinput yaitu, 1087.5 psi dengan temperatur atau suhu untuk pada saat kondisi full closed dan full open adalah 425 o C.  Pemilihan  temperatur  ini  untuk  melihat perubahan tekanan yang terjadi dalam ball valve yang mampu bertahan pada kondisi suhu tinggi.

## IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
IV. 1 Ball Valve Kondisi Full Closed Perubahan  tekanan  berdasarkan  hasil  analisis  CFD terhadap ball  valve 4  inch  ANSI  300  untuk  kondisi full closed dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 5. Tekanan Fluida Kondisi Full Closed
Pada  saat  kondisi full  closed ,  tekanan  fluida  tidak menunjukkan  adanya  peningkatan  signifikan.  Nilai perubahan  tekanan  fluida  menunjukkan  penurunan diantara  1087.42  psi  sampai  dengan  nilai  minimum 1087.27 psi. Grafik perubahan tekanan fluida dapat dilihat pada Gambar 6.
Batas 1 Batas 2
Batas 2 Batas 1

## Gambar 6. Grafik Perubahan Tekanan Fluida Kondisi Full Closed
Temperatur  425 o C  juga  tidak  menunjukkan pengaruh  yang  signifikan  terhadap  tekanan  pada  fluida. Pengaruh temperatur bisa dilihat pada Gambar 7.
Gambar 7. Temperatur Fluida Kondisi Full Closed
IV. 2 Ball Valve Kondisi Full Open Perubahan  tekanan  berdasarkan  hasil  analisis  CFD terhadap ball  valve 4 inch ANSI  300  untuk  kondisi full open dapat dilihat pada Gambar 8.
Gambar 8. Tekanan Fluida Kondisi Full Open
Hal  yang  sama  juga  ditunjukkan  pada  aat  kondisi full open ,  tekanan  fluida  juga  tidak  menunjukkan  adanya peningkatan  signifikan.  Nilai  perubahan  tekanan  fluida menunjukkan  penurunan  diantara  1087.42  psi  sampai dengan  nilai  minimum  1087.28  psi.  Grafik  perubahan tekanan fluida dapat dilihat pada Gambar 9.
Gambar 9. Grafik Perubahan Tekanan Fluida Kondisi Full Open
Temperatur  425 o C  juga  tidak  menunjukkan pengaruh  yang  signifikan  terhadap  tekanan  pada  fluida. Pengaruh temperatur bisa dilihat pada Gambar 10.
Gambar 10. Temperatur Fluida Kondisi Full Open
Berdasarkan analisis CFD terhadap ball valve 4 inch ANSI  300  didapatkan  hasil  perubahan  tekanan  yang dipengaruhi oleh temperatur tinggi yang dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Rekapitulasi hasil CFD Kondisi Ball Valve 4 inch ANSI 300 Full Closed Full Open Tekanan Input 1087.50 psi 1087.50 psi Max. Output 1087.42 psi 1087.42 psi Min. Output 1087.27 psi 1087.28 psi Temperatur Input 425 o C 425 o C Max. Output 425 o C 425 o C Min. Output 425 o C 425 o C
a

## V. PENUTUP

## Kesimpulan
Tekanan  yang  terjadi  pada ball  valve 4  inch  ANSI  300, tidak  menunjukkan  perubahan  secara  signifikan  antara kondisi full closed dan full open setelah dilakukan analisis dengan CFD flow simulation Solidworks . Pada kondisi full closed perubahan  tekanan  berkisar  0.15  psi,  sedangkan pada  kondisi full  open perubahan  tekanan  hanya  sekitar
0.14  psi.  Temperatur  tinggi  juga  tidak  mempengaruhi tekanan  yang  terjadi  pada  aliran  dalam ball  valve. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa ball valve merupakan valve yang  memiliki  kemampuan  dan  kehandalan  yang sangat  tinggi,  terbukti  dengan  perbedaan  tekaan  yang tidak signifikan pada kondisi full closed maupun full open .
Penggunaan  metode Computational  Fluid  Dynamics , merupakan  metode  yang  baik  digunakan  untuk memastikan  bentuk  tekanan  pada  katup  setelah  hasil perancangan  selesai  dilakukan.  Ini  bertujuan  untuk meminimalisir  kegagalan  pada  saat valve selesai diproduksi.

## Saran
Saran untuk pengembangan penelitian selanjutnya adalah bagaimana  kekuatan ball  valve berdasarkan  pengaruh aliran fluida yang sudah dianalisis dengan CFD. Analisis lanjutan untuk mengetahui kekuatan komponen- komponen penting dalam ball valve dengan metode Finite Elemen Analysis (FEA).

## VI. DAFTAR PUSTAKA
[1]  J.-M.  Chern,  C.-C.  Wang  and  C.-H.  Ma,
"Performance Test And Flow Visualization Of Ball Valve," Experimental  Thermal  and  Fluid  Science,
31, pp. 505-512, 2007.
[2]  A.  Tabrizi,  M.  Asadi,  G.  Xie,  G.  Lorenzini  and  C. Biserni,  "Computational  Fluid-Dynamics-Based Analysis  of  a  Ball  Valve  Performance  in  the Presence  of  Cavitation," Journal  of  Engineering
Thermophysics Vol. 23 No.1, pp. 27-38, 2014.
[3]  C.  Hirsch,  Numerical  Computation  of  Internal  and External  Flows.  Volume  1  Fundamentals  of Computational Fluid Dynamics, Oxford: JohnWiley
& Sons, Ltd, 2007.
[4]  W.  A.  Date,  Introduction  to  Computational  Fluid Dynamics,  Bombay:  United  States  of  America  by Cambridge University Press, New York, 2005.
[5]  W.  J.  Murdock,  Fundamental  Fluid  Mechanics  for The  Practicing  Engineer,  Pennsylvania:  MARCEL DEKKER, INC, 1993.
[6]  A. Y. Cengel and M. J. Cimbala, Fluid Mechanics: Fundamentals  and  Applications,  New  York,  NY: McGraw-Hill, a business unit of The McGraw-Hill Companies, Inc.,, 2006.
[7]  J. Zhang, "EFD Fluid Simulation Of Ball Valve on Solidworks," Advanced Materials Research Vol. 82, pp. 13-16, 2013.