Katup dan pengendalian air: katup isolasi, katup pengatur, katup searah, katup penurun tekanan, muai termal, tangki muai, dan katup pengaman

Sebuah hotel memasang katup searah di pipa masuk dapur setelah keluhan air berbau di pantry, seperti dianjurkan dalam pemeriksaan aliran balik. Sejak itu, katup pengaman pemanas air dapur menetes setiap malam, ketika dapur sepi dan pemanas menaikkan suhu tangki. Petugas menyangka katupnya rusak dan menyumbat pipa buangnya. Seminggu kemudian, sambungan fleksibel pemanas pecah pada pukul tiga pagi.

Katup searah itu tidak salah, dan katup pengaman tidak rusak. Air yang dipanaskan memuai, dan setelah katup searah dipasang, air itu tidak dapat lagi kembali ke jaringan. Tekanan naik sampai katup pengaman membuka, persis seperti tugasnya. Perbaikan yang benar adalah memasang tangki muai di sisi air dingin pemanas dan membuka kembali pipa buang katup pengaman, bukan melepas katup searah atau mengganti katup pengaman dengan setelan lebih tinggi. Bab ini menjelaskan cara kerja katup di jaringan air gedung dan mengapa beberapa di antaranya tidak boleh diganggu.

Batas pembahasan

Bab ini membahas katup isolasi, katup pengatur dan koefisien aliran, katup searah, katup pelampung dan katup otomatis, katup penurun tekanan, kelas tekanan katup, muai termal air, tangki muai, dan katup pengaman suhu dan tekanan. Sumber pemilik adalah narasi disiplin Teknik Bangunan dan Fasilitas, terutama bagian Sistem Plumbing Gedung Lanjutan tentang katup, yang merujuk ASPE Vol 4 dan buku plumbing gedung bertingkat, serta kutipan ASPE Vol 4 bab muai termal dan Practical Plumbing Engineering.

Katup penurun tekanan dan palu air pada instalasi RO ada di Bab 10 · Air & Pengolahan Air, zona tekanan di bab penyediaan air bersih gedung, pemuaian pipa di bab material pipa, dan pencegah aliran balik di bab pencegahan aliran balik. Kelas tekanan katup yang dipakai, tekanan setel katup pengaman, tekanan maksimum jaringan, dan ukuran tangki muai yang berlaku diambil dari SNI 8153-2015, data pabrik, dan perencana; angkanya tidak disalin. Angka yang diberi tanda angka latihan dipakai untuk menunjukkan cara hitung.

Fungsi katup

Katup di jaringan air gedung punya lima fungsi:

1. Isolasi: membuka penuh atau menutup penuh, untuk memisahkan bagian jaringan saat perbaikan.
2. Pengaturan: mengatur debit atau tekanan secara terus-menerus.
3. Satu arah: membiarkan aliran ke satu arah dan menahan arah sebaliknya.
4. Pengendalian otomatis: membuka dan menutup menurut sinyal, misalnya muka air atau pengatur waktu.
5. Pengaman: membuang air ketika tekanan atau suhu melampaui batas.

Satu jenis katup jarang cocok untuk semua fungsi. Kesalahan yang paling sering adalah memakai katup untuk fungsi yang tidak dirancang untuknya.

Katup isolasi

Glosarium ASPE Vol 4 dalam sumber memuat definisi katup untuk membuka atau menutup aliran fluida di pipa, berdampingan dengan definisi katup bola dunia untuk mengatur aliran. Bagian plumbing lanjutan dalam narasi mencatat bahwa katup gerbang dirancang untuk terbuka penuh atau tertutup penuh dan tidak boleh dipakai untuk mengatur debit, karena posisi setengah terbuka menimbulkan getaran dan mempercepat aus piringan dan dudukan. ASPE Vol 4 dalam sumber mencatat bahwa katup gerbang dengan pemantauan elektronik umum dipakai di pipa utama proteksi kebakaran.

Katup bola memakai bola berlubang yang diputar seperempat putaran. Practical Plumbing Engineering dalam sumber mencatat bahwa katup bola sangat baik untuk pemakaian tanpa aliran atau aliran penuh, karena jalurnya lurus dengan turbulensi minimal. Narasi menambahkan bahwa katup bola populer karena andal dan mudah dirawat, tetapi rongga di sekitar bolanya dapat menjebak cairan. Katup kupu-kupu cocok untuk pipa besar bertekanan relatif rendah.

Katup isolasi yang baik ditempatkan di pangkal setiap cabang, setiap pipa tegak, dan setiap peralatan, seperti di bab penyediaan air bersih gedung. Katup bola dan katup kupu-kupu yang menutup dalam seperempat putaran dapat menimbulkan palu air bila ditutup cepat pada debit besar; tutup pelan.

Katup pengatur dan koefisien aliran

ASPE Vol 4 dalam sumber mendefinisikan katup bola dunia (globe) sebagai katup untuk mengatur atau menghambat aliran di pipa. Jalur alirannya berbelok, sehingga posisi buka dapat diatur halus, tetapi narasi mencatat bahwa rugi tekannya lebih besar.

Rugi tekan katup dinyatakan dengan koefisien aliran $K_v$, yaitu debit air dalam m³/jam yang menimbulkan rugi 1 bar ketika katup terbuka penuh:

$\Delta p = \left(\frac{Q}{K_v}\right)^2$

dengan $\Delta p$ dalam bar dan $Q$ dalam m³/jam. Dalam satuan imperial dipakai $C_v$, dengan hubungan $K_v = 0{,}865 \, C_v$. Nilai $K_v$ katup diambil dari data pabrik. Katup bola dan katup gerbang punya $K_v$ besar, katup bola dunia jauh lebih kecil pada ukuran yang sama (Contoh 1). Rugi katup ini masuk ke hitungan jalur terjauh di bab kebutuhan air dan ukuran pipa.

Katup searah

Practical Plumbing Engineering dalam sumber mendefinisikan katup searah sebagai katup yang mencegah aliran berbalik di pipa. Narasi membedakan tiga jenis:

1. Katup searah ayun, dengan piringan berengsel yang oleh ASPE Vol 4 disebut daun penutup. Rugi alirannya rendah, tetapi menutup lambat ketika aliran berbalik.
2. Katup searah angkat, dengan piringan yang naik turun; rugi lebih besar.
3. Katup searah berpegas, yang menutup sebelum aliran berbalik karena pegas mendorong piringan ketika aliran melambat.

Narasi mencatat dari buku plumbing gedung bertingkat bahwa katup kaki dipasang di ujung pipa isap untuk menahan aliran balik sehingga pompa tidak kehilangan pancingan. Katup searah yang menutup terlambat setelah pompa berhenti membiarkan kolom air berbalik arah lalu terhenti tiba-tiba, sehingga menimbulkan palu air (Contoh 9). Practical Plumbing Engineering dalam sumber mencatat bahwa palu air dapat dihilangkan dengan memasang alat yang menyerap kejutan.

Katup searah tunggal bukan pencegah aliran balik, dan memasangnya mengubah jaringan terbuka menjadi sistem tertutup, seperti pada kasus pembuka.

Katup pelampung dan katup otomatis

ASPE Vol 4 dalam sumber menyebut katup tidak bermodulasi yang dipakai untuk mengendalikan muka air di tangki dengan akurat, dan katup yang umum dipakai untuk menggantikan katup manual atau bila dibutuhkan kendali jarak jauh. Narasi mencatat dari buku plumbing gedung bertingkat bahwa katup pelampung mengatur pengisian tangki menurut tinggi air. Buku plumbing dan pemanas sentral dalam sumber mencatat bahwa katup pelampung dapat diservis dan diperbaiki.

Katup solenoid di mesin cuci dan mesin pencuci piring adalah katup otomatis yang menutup cepat, sehingga menjadi sumber palu air yang dibahas di bab fixture dan sambungan peralatan.

Katup penurun tekanan

Katup penurun tekanan menurunkan tekanan di hilirnya ke nilai setel, sehingga lantai bawah gedung tinggi dan peralatan sensitif tidak menerima tekanan berlebih. Practical Plumbing Engineering dalam sumber mencatat bahwa tekanan air maksimum yang diizinkan sering ditetapkan dalam ketentuan, dan memuat langkah menentukan tekanan tertinggi yang mungkin di masukan setiap katup penurun tekanan lalu menghitung tekanan di lokasi yang ditentukan.

Katup kerja langsung menahan tekanan hilir dengan pegas. Ketika debit naik, pegas harus memanjang agar katup lebih terbuka, sehingga tekanan hilir turun di bawah nilai setel. Penurunan ini disebut penurunan saat mengalir (Contoh 3). ASPE Vol 4 dalam sumber mencatat bahwa kapasitas katup penurun tekanan biasanya dinyatakan sebagai satu nilai, sehingga perlu dibaca bersama kurva penurunannya. Practical Plumbing Engineering dalam sumber mencatat bahwa katup kendali pilot adalah gabungan dua katup penurun tekanan dalam satu rumah, yang penurunannya lebih kecil (Contoh 4), dan menanyakan apakah debitnya relatif tetap atau terputus-putus. Untuk debit yang sangat beragam, dua katup dipasang paralel: yang kecil untuk debit rendah dan yang besar untuk debit tinggi. Bab 10 · Air & Pengolahan Air membahas katup ini pada instalasi RO.

Kelas tekanan katup

Setiap katup punya kelas tekanan yang ditulis pabrik di badannya. ASPE Vol 4 dalam sumber memberi contoh spesifikasi dari buku sumber yang memakai dua angka: tekanan kerja uap dan tekanan kerja air dingin tanpa kejutan, misalnya katup utama 2 inci ke bawah berkelas 150 psi uap dan 600 psi air dingin tanpa kejutan. Angka air dingin berlaku pada suhu biasa; pada suhu tinggi, kelasnya turun, seperti pada pipa plastik di bab material pipa. Katup yang dipasang di hilir pompa, di lantai bawah gedung tinggi, atau di pipa air panas dipilih dengan kelas yang melebihi tekanan tertinggi yang mungkin, termasuk lonjakan palu air.

Muai termal air dan tangki muai

Air memuai ketika dipanaskan. ASPE Vol 4 dalam sumber, dalam bab muai termal, mencatat bahwa semua bahan pipa berubah ukuran karena perubahan suhu, lalu menghitung pemuaian air dengan membandingkan berat air pada kedua keadaan dan mendefinisikan volume sistem yang memuai pada suhu air panas rancangan. Pertambahan volume adalah

$\Delta V = V_s \left(\frac{\rho_1}{\rho_2} - 1\right)$

dengan $V_s$ volume air sistem, $\rho_1$ massa jenis pada suhu dingin, dan $\rho_2$ pada suhu panas.

Bila jaringan terbuka ke pipa utama, air yang memuai kembali ke pipa utama tanpa terasa. Bila ada katup searah, pencegah aliran balik, atau katup penurun tekanan yang tidak membiarkan aliran balik, sistem menjadi tertutup. Air hampir tidak dapat dimampatkan, sehingga tekanan naik sangat cepat (Contoh 6). Tangki muai, yaitu tangki kecil dengan kantong udara bertekanan, menampung pertambahan volume itu. ASPE Vol 4 dalam sumber mencatat bahwa asumsi perhitungannya cukup akurat bila tangki muai dipasang di sisi air dingin pemanas. Ukurannya dihitung dengan hukum Boyle:

$V_t = \frac{\Delta V}{1 - p_1/p_2}$

dengan $p_1$ tekanan pasok dan $p_2$ tekanan maksimum yang diizinkan, keduanya mutlak, dan tekanan awal udara tangki disetel sama dengan tekanan pasok (Contoh 7 dan 8).

Katup pengaman suhu dan tekanan

Pemanas air bertangki dilengkapi katup pengaman yang membuka bila tekanan atau suhu melampaui nilai setelnya. Katup gabungan suhu dan tekanan memiliki sensor suhu yang dicelupkan ke bagian atas tangki dan pegas yang menahan tekanan. Tugasnya mencegah dua bahaya: tangki pecah karena tekanan, dan air di atas titik didih yang berubah menjadi uap seketika bila tangki bocor.

Aturan pemasangan dan pemakaian yang perlu dipegang teknisi:

1. Pipa buang tidak boleh ditutup, dikecilkan, atau dinaikkan. Pipa buang diarahkan ke tempat aman yang terlihat, misalnya saluran lantai dengan celah udara, agar tetesannya diketahui dan semburannya tidak melukai orang.
2. Tetesan adalah gejala. Katup yang menetes saat pemanas bekerja menunjukkan muai termal tanpa tangki muai, tekanan pasok terlalu tinggi, atau tangki muai yang kehilangan udara. Penyebab itu yang diperbaiki.
3. Diuji berkala. Tuas uji diangkat sesuai petunjuk pabrik untuk memastikan katup tidak macet oleh kerak.
4. Diganti dengan setelan yang sama. Nilai setel suhu dan tekanan mengikuti pelat nama pemanas.

Practical Plumbing Engineering dalam sumber juga mencatat bahwa peredam palu air atau alat sejenis yang disetujui perlu dipasang untuk mencegah kerusakan tangki penyimpan.

Merawat katup

Katup yang jarang digerakkan adalah katup yang gagal saat dibutuhkan. Program pemeliharaan sederhana untuk katup gedung:

1. Digerakkan berkala. Katup isolasi utama dan katup cabang ditutup dan dibuka penuh beberapa kali setahun, pelan-pelan, lalu dikembalikan ke posisi semula. Katup yang berat diputar dicatat untuk diperbaiki sebelum keadaan darurat.
2. Diperiksa batangnya. Rembesan di batang katup biasanya berasal dari paking batang; mur paking dikencangkan sedikit atau pakingnya diganti setelah bagian itu diisolasi.
3. Dibersihkan saringannya. Katup penurun tekanan, katup pelampung, dan katup solenoid sering dilengkapi saringan di hulunya. Saringan yang tersumbat menambah penurunan tekanan dan membuat katup bergetar.
4. Dicatat tekanannya. Manometer di hulu dan hilir katup penurun tekanan dibaca dan dicatat pada debit nol dan saat jam sibuk, sehingga pergeseran setelan atau dudukan yang aus terlihat dari catatan.
5. Diberi tanda. Setiap katup diberi nomor yang sama dengan gambar terpasang dan daftar aset, termasuk posisi normalnya, terbuka atau tertutup.

Catatan ini juga dipakai di bab pemeliharaan dan diagnosis plumbing di tingkat berikutnya.

Contoh kerja

Contoh 1. Rugi tekan katup bola dan katup bola dunia. Debit 5 m³/jam. Katup bola dengan $K_v = 40$ (angka latihan dari data pabrik): $\Delta p = (5/40)^2 = 0{,}016$ bar. Katup bola dunia ukuran sama dengan $K_v = 6$: $(5/6)^2 = 0{,}69$ bar, sekitar 44 kali lebih besar.

Contoh 2. Memilih katup pengatur. Debit yang diinginkan 2 m³/jam dengan beda tekanan 1 bar di katup. $K_v = Q / \sqrt{\Delta p} = 2 / 1 = 2$. Katup pengatur dengan $K_v$ penuh sekitar 3 sampai 4 (angka latihan) bekerja di tengah langkahnya, sehingga masih dapat mengatur naik dan turun.

Contoh 3. Penurunan katup penurun tekanan kerja langsung. Nilai setel 3,5 bar pada debit nol. Pada debit rencana, penurunan 0,7 bar (angka latihan dari kurva pabrik), sehingga tekanan hilir 2,8 bar. Bila lantai terjauh di zona itu membutuhkan 2,5 bar di pangkal cabangnya, tekanan masih cukup; bila penurunan bertambah karena saringan katup tersumbat, tidak.

Contoh 4. Katup kendali pilot. Katup kendali pilot dengan penurunan 0,2 bar pada debit yang sama memberi $3{,}5 - 0{,}2 = 3{,}3$ bar. Selisih 0,5 bar dibanding Contoh 3 dapat menjadi pembeda antara pancuran yang cukup dan yang lemah di lantai teratas zona.

Contoh 5. Pertambahan volume air pemanas. Sistem air panas 300 L dipanaskan dari 15 °C (999,1 kg/m³) ke 60 °C (983,2 kg/m³): $\Delta V = 300 \times (999{,}1/983{,}2 - 1) = 4{,}85$ L.

Contoh 6. Tekanan tanpa tangki muai. Dengan kompresibilitas air sekitar $4{,}6 \times 10^{-10}$ Pa⁻¹ (nilai literatur) dan pipa dianggap kaku, pertambahan volume relatif 0,0162 yang tidak punya tempat menaikkan tekanan sekitar $0{,}0162 / 4{,}6 \times 10^{-10} = 3{,}5 \times 10^7$ Pa, atau sekitar 350 bar. Dalam kenyataan pipa, selang, dan tangki melentur sehingga kenaikannya lebih kecil, tetapi sambungan fleksibel atau katup pengaman akan menyerah jauh sebelum itu, seperti pada kasus pembuka.

Contoh 7. Ukuran tangki muai. Tekanan pasok 3,0 bar(g) = 4,01 bar mutlak; tekanan maksimum yang diizinkan 6,0 bar(g) = 7,01 bar mutlak (angka latihan; di bawah setel katup pengaman). $1 - 4{,}01/7{,}01 = 0{,}428$. $V_t = 4{,}85 / 0{,}428 = 11{,}3$ L. Tangki muai 12 L atau lebih besar dipilih dari ukuran pabrik.

Contoh 8. Tekanan awal tangki muai yang salah. Tekanan awal udara tangki 1,5 bar(g) = 2,51 bar mutlak, sedangkan pasok 3,0 bar(g). Saat pasok masuk, udara sudah termampatkan ke $2{,}51/4{,}01 = 0{,}63$ volume tangki; pada 7,01 bar mutlak menjadi $2{,}51/7{,}01 = 0{,}36$. Volume yang dapat ditampung $0{,}63 - 0{,}36 = 0{,}27$ dari volume tangki, dibanding 0,43 bila tekanan awal benar. Kapasitas tangki turun sekitar 37 persen, dan tangki 12 L hanya menampung 3,2 L dari 4,85 L.

Contoh 9. Palu air saat katup searah menutup terlambat. Setelah pompa berhenti, kolom air berbalik dan mencapai 1,5 m/s sebelum katup searah ayun menutup. Dengan cepat rambat 1.200 m/s (angka latihan), $\Delta p = 1.000 \times 1.200 \times 1{,}5 = 1{,}8$ MPa atau 18 bar. Katup searah berpegas yang menutup sebelum aliran berbalik menurunkan kecepatan balik itu hampir ke nol.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan bila:

1. Pipa buang katup pengaman akan ditutup, disumbat, dikecilkan, atau disambung ke pipa tertutup.
2. Katup pengaman menetes atau menyembur, atau tekanan dan suhu di pemanas melampaui pelat nama. Matikan sumber panas, buka keran air panas untuk membuang tekanan bila aman, dan cari penyebabnya.
3. Katup searah, pencegah aliran balik, atau katup penurun tekanan baru dipasang di hulu pemanas air tanpa tangki muai.
4. Katup akan dibongkar sebelum bagian jaringan diisolasi dan tekanan dibuang, atau pemanas akan dibuka sebelum listrik dan bahan bakar diisolasi dan airnya mendingin. Ikuti Bab 1 · Keselamatan.
5. Katup bola atau kupu-kupu akan ditutup cepat pada debit besar, atau katup gerbang dipakai setengah terbuka untuk mengatur debit.
6. Katup pengganti mempunyai kelas tekanan atau suhu yang lebih rendah daripada katup asli.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Katup pengaman yang menetes berarti rusak." Tetesan biasanya tanda muai termal di sistem tertutup atau tekanan pasok yang terlalu tinggi.

"Katup gerbang boleh setengah terbuka untuk mengurangi debit." Posisi itu menimbulkan getaran dan aus; pakai katup pengatur.

"Katup penurun tekanan memberi tekanan tetap." Tekanan hilirnya turun ketika debit naik, sesuai kurva penurunannya.

"Tangki muai cukup dibeli sesuai ukuran pemanas." Ukuran bergantung volume sistem, tekanan pasok, dan tekanan maksimum, dan tekanan awal udaranya harus disetel.

"Katup searah tidak berpengaruh pada pemanas air." Katup searah membuat sistem tertutup sehingga muai air menaikkan tekanan.

"Katup bola cocok untuk semua pekerjaan." Katup bola baik untuk isolasi; untuk pengaturan halus, katup pengatur lebih tepat.

Hubungan dengan bab lain

Bab 10 · Air & Pengolahan Air memberi katup penurun tekanan dan palu air, bab penyediaan air bersih zona tekanan dan katup di kaki pipa tegak, bab material pipa pemuaian pipa dan kelas tekanan pada suhu tinggi, bab pencegahan aliran balik alat yang membuat sistem tertutup, bab kebutuhan air rugi katup di jalur terjauh, bab fixture dan sambungan peralatan katup solenoid dan palu air, Fisika 183 pemuaian termal, dan Bab 1 · Keselamatan kondisi berhenti. Bab air panas gedung yang menyusul memakai tangki muai dan katup pengaman dalam susunan pemanas.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan rumus, hitungan, atau alasannya.

1. Katup dengan $K_v = 10$ dilalui 3 m³/jam. Berapa rugi tekannya?
2. Sistem 200 L dipanaskan dari 20 °C (998,2 kg/m³) ke 60 °C (983,2 kg/m³). Berapa pertambahan volumenya?
3. Dengan hasil soal 2, tekanan pasok 3,5 bar(g) dan tekanan maksimum 7,0 bar(g), berapa volume tangki muai?
4. Katup penurun tekanan disetel 4,0 bar dengan penurunan 0,8 bar pada debit rencana. Berapa tekanan hilir saat debit rencana?
5. Mengapa katup gerbang tidak dipakai untuk mengatur debit?
6. Mengapa pipa buang katup pengaman tidak boleh ditutup?

Kunci jawaban beralasan

1. $\Delta p = (3/10)^2 = 0{,}09$ bar, yang ditambahkan ke rugi jalur pipa.
2. $\Delta V = 200 \times (998{,}2/983{,}2 - 1) = 3{,}05$ L, yang harus ditampung bila sistem tertutup.
3. $1 - 4{,}51/8{,}01 = 0{,}437$, sehingga $V_t = 3{,}05 / 0{,}437 = 7{,}0$ L dengan tekanan awal udara 3,5 bar(g).
4. $4{,}0 - 0{,}8 = 3{,}2$ bar, yang dibandingkan dengan kebutuhan tekanan di zona hilirnya.
5. Posisi setengah terbuka menimbulkan turbulensi dan getaran yang mengikis piringan dan dudukan, sehingga katup bocor saat ditutup.
6. Katup pengaman adalah jalan keluar terakhir tekanan dan uap; menutupnya membuat tangki dapat pecah atau meledakkan uap.

Referensi