Proteksi tekanan pada instalasi RO: katup penurun tekanan dan palu air

Sebuah unit osmosis balik (RO) berpompa dipasang di dapur sebuah rumah makan yang letaknya tidak jauh dari reservoir PDAM. Dua minggu kemudian pemilik melapor: setiap kali unit berhenti, terdengar bunyi "tok" dari arah filter pertama, dan sambungan cepat (quick-connect) di selang umpan mulai menetes. Teknisi mengganti sambungan itu, tetapi bunyinya tetap ada dan beberapa hari kemudian rembesan muncul lagi. Saat pemasangan, teknisi mengukur tekanan air siang hari sekitar 2,5 bar dan menganggapnya aman. Tekanan malam hari tidak pernah diukur.

Dua hal bekerja bersama di sini. Yang pertama tekanan dasar dari jaringan, yang di dekat reservoir dan pada jam pemakaian rendah bisa jauh lebih tinggi daripada siang hari. Yang kedua lonjakan sesaat setiap kali katup solenoid air masuk menutup dan aliran di selang dihentikan mendadak. Keduanya ditinjau di sini sebagai masalah instalasi RO.

Batas pembahasan

Bab ini membahas jendela tekanan masuk unit RO dibanding tekanan jaringan distribusi, pengukuran tekanan statis, katup penurun tekanan (pressure reducing valve, PRV), lonjakan tekanan saat solenoid menutup, pengaruh diameter selang umpan, udara terjebak, peredam lonjakan, penopang selang, dan batas tekanan rumah filter. Persamaan Joukowsky dan waktu kritis dibahas di Bab 57 · Kelistrikan & Kendali tentang soft starter, pada bagian henti halus pompa dan palu air. Rugi tekan aliran tunak pada selang dan fitting RO dihitung di Bab 9 tentang hidrolika jalur air unit RO, dengan dasar di Bab 2 · Fluida & Termal tentang Bernoulli dan rugi tekan; titik kerja pompa dan kavitasi ada di Bab 3 · Fluida & Termal tentang pompa dan batas operasi. Proses membran ada di Bab 5 tentang osmosis balik, dan pengujian sakelar tekanan dalam rangkaian kendali pompa di Bab 58 · Kelistrikan & Kendali tentang kendali pompa dengan sakelar proses.

Jendela tekanan unit dan tekanan jaringan

Unit RO tanpa pompa bergantung sepenuhnya pada tekanan PDAM untuk melampaui tekanan osmotik. Angka 40 psi (2,8 bar) yang sering dikutip untuk unit seperti ini adalah rekomendasi umum pabrikan, bukan ketentuan NSF/ANSI 58; standar itu menetapkan kondisi uji dan mewajibkan pabrikan menyatakan rentang tekanan operasi unitnya. Unit berpompa berbeda. Pompa penguat yang menaikkan tekanan ke membran, sehingga tekanan masuk hanya perlu cukup untuk mengisi sisi isap pompa. Manual satu unit komersial contoh menetapkan tekanan masuk 1-3 bar (14,5-43,5 psi) dan menyarankan PRV bila tekanan di atas 3 bar.

Jaringan distribusi air minum bekerja dalam rentang yang jauh lebih lebar. Permen PUPR Nomor 27 Tahun 2016 tentang penyelenggaraan SPAM menetapkan tekanan minimum 0,5-1,0 atm di titik pelayanan terjauh dan tekanan maksimum 6-8 atm untuk pipa PVC atau ACP. Dengan 1 atm ≈ 1,013 bar, pelanggan secara sah dapat menerima tekanan dari sekitar 0,5 bar di ujung jaringan sampai sekitar 8 bar di dekat reservoir atau pada jam pemakaian rendah. Jendela 1-3 bar unit berpompa hanya sepotong kecil dari rentang itu. Lokasi di ujung jaringan memerlukan tangki dan pompa suplai; lokasi dekat sumber memerlukan PRV.

Satu angka lain sering tertukar dengan syarat tekanan masuk. Sakelar tekanan rendah (low pressure switch, LPS) adalah sakelar yang memutus pompa bila pasokan air hilang, umumnya pada sekitar 0,15-0,35 bar, dan menyambung lagi di atas sekitar 0,35 bar menurut setelan pabrikan. Angka itu adalah ambang "air ada atau tidak", bukan tekanan masuk minimum untuk produksi yang baik.

Mengukur tekanan statis

Tekanan statis (static pressure) adalah tekanan di titik sambung ketika tidak ada aliran. Inilah beban dasar yang ditanggung selang, sambungan, dan rumah filter sepanjang waktu, termasuk saat unit tidak berproduksi. Tekanan saat air mengalir selalu lebih rendah karena ada rugi tekan sepanjang jalur. Pada selang umpan 3/8 inci sepanjang 1 m dengan debit 3,15 L/menit rugi itu sekitar 0,06 bar, dan pada selang 1/4 inci sekitar 0,42 bar, seperti dihitung di Bab 9 tentang hidrolika jalur air unit RO.

Teknisi mengukurnya dengan pengukur tekanan eksternal di keran umpan, pada beberapa waktu: siang hari ketika pemakaian jaringan tinggi, dan malam atau dini hari ketika pemakaian rendah dan tekanan cenderung naik. Bacaan pengukur tekanan kerja unit saat pompa mati dapat dipakai sebagai pendekatan, karena tanpa aliran rugi tekanan prafilter mendekati nol (Bab 7 tentang normalisasi data kinerja). Pengukuran ini dilakukan sebelum pemasangan, bukan setelah bocor pertama muncul. Hasilnya dibaca dengan aturan berikut:

Kasus pembuka gagal di baris pertama: tekanan siang 2,5 bar tampak berada di dalam jendela, tetapi tekanan malam tidak pernah diperiksa.

Katup penurun tekanan

Katup penurun tekanan (pressure reducing valve, PRV) adalah katup yang menjaga tekanan di sisi keluarnya pada nilai setelan walaupun tekanan masuk naik turun. Letak dan setelannya menentukan apa yang dilindungi. Urutan pemasangannya:

1. PRV dipasang setelah keran utama dan sebelum prafilter, sehingga rumah prafilter ikut terlindungi.
2. Bila air berpasir, saringan (strainer) dipasang sebelum PRV agar dudukan katup tidak tergores.
3. Pengukur tekanan dipasang setelah PRV untuk menyetel dan memantau.
4. PRV disetel sekitar 2-2,5 bar pada kondisi tanpa aliran. Angka ini acuan praktis di tengah jendela 1-3 bar yang menyisakan cadangan untuk rugi tekanan prafilter.
5. Setelan diperiksa ulang setelah 24 jam, karena dapat bergeser.

Tanpa pengukur di sisi keluarnya, tidak ada yang dapat membuktikan bahwa PRV bekerja. PRV juga punya dua batas. Ia bukan pengganti katup searah, dan ia tidak meredam semua lonjakan cepat. Lonjakan saat solenoid menutup berlangsung dalam orde puluhan milidetik di selang sisi hilir PRV; menurunkan tekanan dasar memang menurunkan tekanan puncak, tetapi tidak menghapus lonjakannya.

Lonjakan saat solenoid menutup

Solenoid air masuk menutup setiap kali tangki penuh atau LPS memutus. Kolom air di selang umpan yang sedang mengalir dengan kecepatan $V$ dihentikan mendadak. Energi geraknya berubah menjadi gelombang tekanan yang merambat ke hulu, ke rumah prafilter dan selang dari keran. Palu air (water hammer) adalah lonjakan tekanan seperti ini, yang timbul ketika kecepatan air di saluran berubah mendadak. Untuk perubahan kecepatan yang lebih cepat daripada waktu kritis, besar lonjakan diberikan persamaan Joukowsky yang dibahas di Bab 57 · Kelistrikan & Kendali tentang soft starter:

$$\Delta p = \rho\,a\,\Delta v$$

$\Delta p$ adalah lonjakan tekanan (Pa), $\rho$ massa jenis air (kg/m³), $a$ cepat rambat gelombang tekanan di saluran (m/s), dan $\Delta v$ perubahan kecepatan aliran (m/s); bila aliran berhenti penuh, $\Delta v = V$. Waktu kritis (critical time) adalah waktu tempuh gelombang tekanan bolak-balik sepanjang saluran, $2L/a$, dengan $L$ panjang saluran dari sumber tekanan sampai katup. Lonjakan penuh terjadi bila waktu penutupan $t_\text{c}$ lebih singkat daripada waktu kritis, dan penutupan yang jauh lebih lambat menurunkan lonjakan, seperti diuraikan Bab 57 · Kelistrikan & Kendali untuk henti pompa.

Nilai $a$ ditentukan oleh kelenturan dinding saluran: sekitar 900-1.400 m/s untuk baja, 300-600 m/s untuk PVC, dan 150-430 m/s untuk pipa HDPE (tipikal sekitar 255 m/s untuk DR17). Untuk selang PE 3/8 inci yang dindingnya relatif tebal, perhitungan dengan rumus Korteweg dan modulus PE 0,3-0,8 GPa memberi sekitar 265-420 m/s. Dinding yang lentur menurunkan $a$, sehingga lonjakan di selang plastik lebih kecil daripada di pipa baja untuk kecepatan yang sama, tetapi masih cukup besar dibanding rating komponen kecil.

Solenoid kerja langsung (direct-acting) menutup dalam sekitar 30 ms menurut data umum pabrikan katup. Pada selang umpan beberapa meter, waktu itu sebanding dengan waktu kritisnya, sehingga lonjakannya dapat mendekati nilai penuh.

Kecepatan $V$ adalah satu-satunya suku dalam persamaan yang mudah dikendalikan di instalasi, dan kecepatan ditentukan oleh diameter dalam selang. Ukuran selang RO 1/4 dan 3/8 inci adalah diameter luar. Diameter dalamnya umumnya sekitar 4,3 mm untuk 1/4 inci dan 6,0-6,4 mm untuk 3/8 inci, bergantung pabrikan dan tebal dinding; perhitungan memakai diameter dalam. Pada debit yang sama, selang yang lebih kecil memberi kecepatan lebih tinggi dan lonjakan sebanding lebih besar. Perhitungan kecepatan dan diameter dalam selang diuraikan di Bab 9.

Udara terjebak

Air hampir tidak dapat dimampatkan, sedangkan udara dapat. Kantong udara yang tertahan di titik tinggi jalur, misalnya di puncak rumah filter atau di lekukan selang berbentuk huruf n, menyerap sebagian langkah pompa: volume udara harus dimampatkan dulu sebelum tekanan air dapat naik. Gejalanya pompa menyala tetapi jarum tekanan bergetar atau lambat naik, dan unit berbunyi kasar.

Besarnya dapat diperkirakan dengan hukum Boyle untuk proses isotermal:

$$p_1\,V_1 = p_2\,V_2$$

$p_1$ dan $p_2$ adalah tekanan mutlak (bar) sebelum dan sesudah pemampatan, $V_1$ dan $V_2$ volume kantong udara (cm³), dan suhu udara dianggap tetap. Tekanan mutlak (absolute pressure) adalah tekanan pengukur ditambah tekanan atmosfer, sekitar 1 bar. Kantong udara 150 cm³ pada 1 bar mutlak yang dimampatkan ke 6 bar mutlak menyusut menjadi $150 \times 1/6 = 25$ cm³. Artinya 125 cm³ air harus masuk ke ruang itu sebelum tekanan mencapai 6 bar. Selisih itu adalah volume yang harus diisi, bukan energi yang terserap; energi pemampatannya bergantung pada tekanan dan volume sepanjang proses.

Udara masuk setiap kali kartrid diganti, karena rumah filter yang dibuka berisi udara. Udara dibuang menurut prosedur pabrikan dengan sistem dalam keadaan aman. Cara membuang udara dengan mengendurkan rumah filter saat air mengalir tidak ditulis sebagai langkah kerja di sini, karena berarti membuka bagian bertekanan. Jalur umpan, terutama sisi isap pompa, dirancang tanpa lekukan yang menjebak udara.

Mengurangi lonjakan

Empat langkah bekerja pada suku-suku persamaan yang berbeda.

• Kecepatan rendah. Selang umpan 3/8 inci, bukan 1/4 inci, menurunkan $V$ dan karena itu $\Delta p$. Acuan praktik umum perpipaan menyebut kecepatan di jalur isap pompa sebaiknya tidak melebihi sekitar 1,5-2 m/s.
• PRV. Menurunkan tekanan dasar, sehingga tekanan puncak ikut turun walaupun lonjakannya tetap.
• Peredam palu air atau akumulator kecil di dekat solenoid. Ruang yang dapat mengembang menyerap sebagian gelombang tekanan sebelum mencapai selang dan rumah filter.
• Klem penopang agar selang tidak bergetar dan menarik sambungan cepat setiap kali lonjakan lewat.

Langkah pertama paling murah karena diputuskan saat pemasangan. Langkah ketiga perlu dipilih menurut tekanan dan ukuran jalur yang sebenarnya; bab ini tidak memberi ukuran peredam.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya. Pemasangan dan penyetelan PRV serta pembukaan bagian bertekanan dikerjakan orang yang berwenang setelah pasokan ditutup dan tekanan dibuang.

Contoh 1: lonjakan pada selang umpan rumah makan pembuka. Data contoh: debit umpan 3,15 L/menit atau $5{,}25 \times 10^{-5}$ m³/s, selang umpan PE 3/8 inci dengan diameter dalam 6,4 mm, panjang dari keran ke solenoid 5 m, tekanan statis siang 2,5 bar, $\rho = 1000$ kg/m³, dan $a = 265$-$420$ m/s. Luas penampang dalam $A = \pi (0{,}0064)^2/4 = 3{,}22 \times 10^{-5}$ m², sehingga:

$$V = \frac{Q}{A} = \frac{5{,}25 \times 10^{-5}}{3{,}22 \times 10^{-5}} \approx 1{,}63\ \text{m/s}, \qquad \Delta p = 1000 \times 265 \times 1{,}63 \approx 4{,}3 \times 10^{5}\ \text{Pa} = 4{,}3\ \text{bar}$$

Untuk $a = 420$ m/s lonjakannya sekitar 6,9 bar. Waktu kritis $2L/a = 10/265 \approx 0{,}038$ s sampai $10/420 \approx 0{,}024$ s, yaitu 24-38 ms. Solenoid yang menutup dalam sekitar 30 ms berada di rentang ini, sehingga lonjakan dapat mendekati nilai penuh. Tekanan puncak adalah tekanan statis ditambah lonjakan: $2{,}5 + 4{,}3$ sampai $2{,}5 + 6{,}9$, yaitu sekitar 6,8-9,4 bar. Ini batas atas, karena gesekan dan kelenturan sambungan meredam sebagian lonjakan.

Rumah filter standar 10 inci umumnya berperingkat maksimum 125 psi, sekitar 8,6 bar, pada suhu sampai 52 °C, dan selang LLDPE RO umumnya mampu sampai 120 psi, sekitar 8,2 bar; label komponen yang terpasang adalah acuannya. Batas atas perkiraan sudah melampaui keduanya. Bila tekanan malam lebih tinggi daripada 2,5 bar, seperti di lokasi pembuka, marginnya hilang sama sekali.

Pada selang 1/4 inci dengan diameter dalam 4,3 mm, $A = 1{,}45 \times 10^{-5}$ m² dan $V \approx 3{,}62$ m/s, sekitar 2,2 kali lebih cepat. Lonjakannya ikut naik sekitar 2,2 kali menjadi kira-kira 9,6-15,2 bar sebelum ditambah tekanan statis. Selain menaikkan rugi tekan di jalur isap, selang umpan 1/4 inci pada debit ini memperbesar lonjakan jauh melewati rating komponen.

Contoh 2: tekanan malam di rumah makan pembuka, dengan dan tanpa PRV. Lokasi pembuka mempunyai tekanan malam yang lebih tinggi daripada 2,5 bar. Bila tekanan statis malam 4,1 bar, seperti pada latihan 1, puncak tanpa PRV menjadi $4{,}1 + 4{,}3 = 8{,}4$ sampai $4{,}1 + 6{,}9 = 11{,}0$ bar, sudah melewati rating selang bahkan pada batas bawahnya, dan batas atasnya juga melewati rating rumah filter. PRV yang disetel 2,5 bar mengembalikan puncak ke 6,8-9,4 bar seperti Contoh 1. PRV memotong sekitar 1,6 bar dari puncak, tetapi tidak menghapus lonjakannya; untuk menurunkan batas atas di bawah 8,2 bar diperlukan kecepatan yang lebih rendah atau peredam. Dengan $a = 420$ m/s, kecepatan yang memberi lonjakan paling tinggi $8{,}2 - 2{,}5 = 5{,}7$ bar adalah:

$$V = \frac{5{,}7 \times 10^5}{1000 \times 420} \approx 1{,}36\ \text{m/s}, \qquad Q \approx 1{,}36 \times 3{,}22 \times 10^{-5} \times 60\,000 \approx 2{,}6\ \text{L/menit}$$

Contoh 3: tekanan malam di hotel dekat reservoir. Sebelum memasang unit berpompa di dapur sebuah hotel dekat reservoir PDAM, teknisi mengukur tekanan statis di keran umpan: 2,7 bar pukul 11.00 dan 3,4 bar pukul 03.00. Dengan 1 atm ≈ 1,013 bar, 3,4 bar setara 3,36 atm, sah untuk jaringan yang maksimumnya 6-8 atm, tetapi di atas jendela 1-3 bar unit. Dengan lonjakan dari Contoh 1:

$$p_\text{puncak} = 3{,}4 + (4{,}3\ \text{sampai}\ 6{,}9) = 7{,}7\ \text{sampai}\ 10{,}3\ \text{bar}$$

Batas atasnya melewati rating selang 8,2 bar dan rumah filter 8,6 bar. Menurut tabel tindakan, PRV dipasang setelah keran utama dan sebelum prafilter, disetel sekitar 2-2,5 bar tanpa aliran, lalu diperiksa ulang setelah 24 jam (kondisi berhenti butir 1).

Contoh 4: laundry di ujung jaringan. Sebuah laundry di ujung jaringan mencatat tekanan statis 0,8 bar siang hari dan 1,6 bar malam hari. Bacaan siang setara $0{,}8/1{,}013 \approx 0{,}79$ atm, masih di sekitar tekanan minimum jaringan 0,5-1,0 atm di titik pelayanan terjauh, sehingga penyelesaiannya ada di sisi pelanggan. Menurut tabel, bacaan di bawah 1 bar berarti kekurangan tekanan: yang diperlukan tangki dan pompa suplai, bukan PRV. Sakelar tekanan rendah tidak memutus pada 0,8 bar karena ambangnya 0,15-0,35 bar, sehingga pompa tetap menyala walaupun tekanan masuk di bawah syarat unit 1-3 bar. Pompa yang tidak berhenti bukan bukti tekanan masuk cukup.

Contoh 5: udara sesudah ganti kartrid di hotel. Setelah kartrid prafilter sebuah unit hotel diganti, kantong udara sekitar 200 cm³ tertinggal di puncak rumah filter pada 1 bar mutlak. Tekanan kerja 2,5 bar terbaca di pengukur, atau sekitar 3,5 bar mutlak:

$$V_2 = 200 \times \frac{1}{3{,}5} \approx 57\ \text{cm}^3$$

Sekitar 143 cm³ air harus masuk ke ruang itu sebelum tekanan kerja tercapai, sehingga jarum lambat naik dan pompa berbunyi kasar sesaat. Gejala itu sesuai udara terjebak, bukan membran kotor. Udara dibuang menurut prosedur pabrikan dengan sistem dalam keadaan aman, dan rumah filter tidak dikendurkan saat masih bertekanan (kondisi berhenti butir 2).

Contoh 6: lonjakan pada jalur umpan rumah sakit dengan PRV. Unit di dapur sebuah rumah sakit memakai selang umpan PE 3/8 inci sepanjang 10 m dari keran ke solenoid, PRV di dekat keran utama disetel 2,0 bar, dan debit umpan 2,6 L/menit. Kecepatannya $2{,}6/60\,000/3{,}22 \times 10^{-5} \approx 1{,}35$ m/s, di bawah acuan 1,5-2 m/s:

$$\Delta p = 1000 \times (265\ \text{sampai}\ 420) \times 1{,}35 \approx 3{,}6\ \text{sampai}\ 5{,}7\ \text{bar}$$

Waktu kritis $2L/a$ adalah 48-75 ms, lebih lama daripada penutupan solenoid sekitar 30 ms, sehingga lonjakan dapat mendekati penuh. Tekanan puncak 5,6-7,7 bar masih di bawah 8,2 bar selang dan 8,6 bar rumah filter, tetapi batas atasnya hanya sekitar 0,5 bar di bawah rating selang. Klem penopang dipasang, label komponen diperiksa, dan peredam dipertimbangkan bila komponen terlemah berperingkat lebih rendah (kondisi berhenti butir 3).

Kondisi berhenti

Pemasangan dan penyetelan PRV serta pembukaan bagian bertekanan dalam butir berikut dikerjakan orang yang berwenang setelah pasokan ditutup dan tekanan dibuang.

1. Tekanan statis terukur di atas 3 bar pada salah satu waktu pengukuran dan PRV belum terpasang: unit tidak dijalankan sampai PRV terpasang dan disetel.
2. Rumah filter retak atau sambungan cepat bocor berulang: unit dihentikan, pasokan ditutup, dan tekanan dibuang sebelum komponen disentuh. Sambungan tidak dikencangkan dan rumah filter tidak dibuka saat masih bertekanan (Bab 1 · Keselamatan tentang energi tersimpan).
3. Perkiraan tekanan puncak (statis ditambah lonjakan) melampaui rating komponen terlemah di jalur: unit tidak dioperasikan sampai kecepatan diturunkan, PRV dipasang, atau peredam ditambahkan.
4. Pekerjaan memerlukan pengujian sakelar tekanan atau rangkaian kendali: diserahkan kepada orang yang berwenang menurut Bab 58 · Kelistrikan & Kendali tentang kendali pompa dengan sakelar proses.
5. PRV sudah terpasang tetapi tekanan di sisi keluarnya belum pernah diukur, termasuk pada jam tekanan jaringan tertinggi dan ulang setelah 24 jam: PRV belum dianggap bekerja dan unit belum dinyatakan terlindungi. PRV juga tidak dianggap pengganti katup searah.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 57 · Kelistrikan & Kendali tentang soft starter memuat persamaan Joukowsky, waktu kritis, dan pengaruh penutupan lambat, dengan contoh pipa tekan baja. Bab 2 · Fluida & Termal tentang Bernoulli dan rugi tekan memberi dasar rugi tekan aliran tunak, dan Bab 9 tentang hidrolika jalur air unit RO menerapkannya pada selang dan fitting RO; keduanya menjelaskan perbedaan tekanan statis dan tekanan saat mengalir. Bab 3 · Fluida & Termal tentang pompa dan batas operasi membahas sisi isap pompa dan kavitasi. Bab 5 tentang osmosis balik menjelaskan tekanan yang diberikan pompa untuk melampaui tekanan osmotik. Bab 7 tentang normalisasi data kinerja memakai bacaan tekanan saat pompa mati dan jalan untuk diagnosis. Bab 58 · Kelistrikan & Kendali tentang kendali pompa dengan sakelar proses membahas sakelar tekanan dalam rangkaian kendali pompa, dan Bab 1 · Keselamatan tentang energi tersimpan menjadi dasar kondisi berhenti butir 2.

Latihan dan pembahasan