Pembakaran Mesin Stirling.docx

MESIN STIRLING

MAKALAH

Oleh : Hayun Indra Nur Iman (141910101078)

PROGRAM STRATA 1 TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS JEMBER 2018

i

KATA PENGNTAR Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmatNYA sehingga makalah ini dapat tersusun hingga selesai. Tidak lupa kami juga mengucapkan banyak terimakasih atas bantuan dari pihak yang telah berkontribusi dengan memberikan sumbangan baik materi maupun pikirannya. Dan harapan kami semoga makalah ini dapat menambah pengetahuan dan pengalaman bagi para pembaca, Untuk ke depannya dapat memperbaiki bentuk maupun menambah isi makalah agar menjadi lebih baik lagi. Karena keterbatasan pengetahuan maupun pengalaman kami, Kami yakin masih banyak kekurangan dalam makalah ini, Oleh karena itu kami sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun dari pembaca demi kesempurnaan makalah ini. Jember, April 2018

PenyuSun

ii

DAFTAR ISI

Kata Pengantar ....................................................................................................... i Daftar Isi.................................................................................................................. ii BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang .................................................................................................. 1 1.2 Rumusan Masalah ............................................................................................. 1 1.3 Tujuan .............................................................................................................. 1 1.4 Manfaat ........................................................................................................... 2 BAB 2 ISI 2.1 Mesin Stirling .................................................................................................... 3 2.2 Sejarah Perkembangan Mesin Stirling .............................................................. 3 2.3 Prinsip Kerja .................................................................................................... 6 2.4 Siklus Stirling .................................................................................................... 7 2.5 Jenis - Jenis Mesin Striling ............................................................................... 9 2.5.1

Alpha Stirling .............................................................................................. 9

2.5.2

Beta Stirling ................................................................................................ 12

2.5.3

Gamma Stirling .......................................................................................... 12

2.6 Kelebihan Mesin Stirling ................................................................................. 14 BAB 3 PENUTUP 3.1 Kesimpulan ....................................................................................................... 15 3.2 Saran .................................................................................................................. 15 DAFTAR PUSTAKA

1

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Pada zaman sekarang isu kelangkaan bahan bakar memaksa para ilmuwan memikirkan cara pembuatan mesin yang hemat bahan bakar. Sistem engine yang banyak digunakan sejumlah pabrik dalam menjalankan mesin sekarang ini dinilai banyak pihak kurang efisien dan boros bahan bakar. Selain itu juga menyebabkan polusi udara yang memicu pemanasan global. Dalam usaha meningkatkan konversi yang bisa didapat dari perubahan energi panas menjadi kerja, mesin Stirling memiliki potensi untuk mencapai efisiensi tertinggi dari semua mesin kalor, secara teori sampai efisiensi maksimal mesin Carnot, meskipun dalam prakteknya usaha ini masih dibatasi oleh berbagai sifat-sifat non-ideal baik itu dari fluida kerjanya maupun bahan dari mesin itu sendiri, seperti gesekan, konduktivitas termal dan titik lebur. Mengingat mesin ini memiliki potensi untuk lebih dikembangkan, penulis merasa perlu mengkaji lebih jauh tentang mesin stirling dan bagaimana cara kerjanya, serta kelemahan dan kelebihanya.

1.2 Rusmusan Masalah Berdasarkan uraian latar belakang diatas maka dapat dirumuskan masalah yang akan penulis kaji sebagai berikut : 1. Apakah yang dimaksud mesin stirling? 2. Bagaimanakah sejarah perkembangan mesin stirling? 3. Bagaimanakah prinsip kerja mesin stirling? 4. Apa kelebihan mesin stirling?

1.3 Tujuan Tujuan makalah ini adalah :

2

1. Mengetahui apa yang dimaksud mesin stirling 2. Mengetahui bagaimana sejarah perkembangan mesin stirling 3. Mengetahui bagaimana prinsip kerja mesin stirling 4. Mengetahui apa saja kelebihan dan kekurangan mesin stirling

1.4 Manfaat Penulis berharap makalah ini bisa menjadi rujukan atau informasi lebih lanjut bagi para penulis selanjutnya, tentang cara kerja, prinsip, kelemahan dan kelebihan mesin stirling.

3

BAB 2 ISI

2.1 Mesin Stirling Dalam keluarga mesin kalor, Mesin Stirling didefinisikan sebagai mesin regenerasi udara panas siklus tertutup. Dalam konteks ini, siklus tertutup berarti bahwa fluida kerjanya secara permanen terkurung di dalam sistem, di mana mesin siklus terbuka seperti mesin pembakaran internal dan beberapa mesin uap, menukarkan fluida kerjanya dengan lingkungan sekitar sebagai bagiaan dari siklus kerja. Regenerasi berarti bahwa adanya penggunaan alat penukar panas internal, yang dapat meningkatkan efisiensi mesin. Banyak sekali kemungkinan dari penggunaan mesin stirling ini, dengan mayoritas masuk ke kategori mesin dengan piston tolak balik. Mesin stirling secara tradisional diklasifikasikan ke dalam mesin pembakaran eksternal, meskipun panas bisa didapatkan dari sumber selain pembakaran seperti tenaga matahari maupun nuklir. Mesin stirling beroperasi melalui penggunaan sumber panas eksternal dan heat sink eksternal, masing-masing dijaga agar memiliki perbedaan temperatur yang cukup besar.

2.2 Sejarah Perkembangan Mesin Stirling Mesin stirling ditemukan tahun 1816 oleh Robert Stirling (1790-1878). Saat itu disebut mesin udara dengan model mesin pembakaran luar siklus tertutup. Dia mematenkan temuan itu pada 27 September 1816 dan berlaku efektif 20 Januari 1817 atau ketika dia baru berumur 26 tahun.Prinsip kerja secara teoretis dikembangkan George Cayley dari Inggris 20 tahun lebih awal. Istilah mesin stirling dipopulerkan kali pertama kali oleh Rolf Meijer untuk menjelaskan semua tipe mesin gas regeneratif siklus tertutup. Dalam keluarga mesin kalor, mesin Stirling didefinisikan sebagai mesin regenerasi udara panas siklus tertutup. Dalam konteks ini, siklus tertutup berarti bahwa

4

fluida kerjanya secara permanen terkurung di dalam sistem, di mana mesin siklus terbuka seperti mesin pembakaran internal dan beberapa mesin uap, menukarkan fluida kerjanya dengan lingkungan sekitar sebagai bagiaan dari siklus kerja. Regenerasi berarti bahwa adanya penggunaan alat penukar panas internal, yang dapat meningkatkan efisiensi mesin

Perkembangan produksi mesin stirling dibawa J Ericsson, penemu dan insinyur berkewarganegaraan Swedia. Dia berhasil dalam fabrikasi mesin stirling dan menjual hingga 2.000 unit mesin ukuran 0.5-5 hp sekitar tahun 1850 di Inggris dan Amerika.Sejak awalnya mesin Stirling memiliki reputasi kerja yang baik dan masa kerja yang lama ( di atas 20 tahun), antara lain digunakan sebagai mesin pompa air dengan kapasitas rendah, yaitu pada pertengahan abad ke sembilanbelas sampai sekitar tahun 1920, yaitu ketika mesin pembakaran internal dan motor listrik mulai menggantikannya. Mesin dengan udara panas (hot-air machine) dikenal karena cara kerjanya yang mudah, kemampuannya menggunakan berbagai jenis bahan bakar; selain itu operasinya aman, tidak berisik, efisiensinya memadai (moderate), stabil dan rendah biaya perawatannya. Kekurangannya adalah ukurannya yang sangat besar namun daya keluarannya (output) kecil dan harganya investasinya tinggi / mahal (untuk ukuran saat itu).

5

Lepas dari pada itu, karena biaya operasinya rendah, maka mesin Stirling dipilih aplikasinya untuk mesin dengan tenaga uap – pilihan satu-satunya pada saat ituyang boros bahan bakar untuk mesin dengan daya yang sama, dan memerlukan perhatian khusus untuk mencegah terjadinya bahaya ledakan atau kerusakan lainnya. Kekurangan utama lainnya untuk jenis mesin udara panas adalah kecenderungannya gagal operasi apabila heater head terlalu panas, walaupun hal itu kemudian dapat diatasi setelah dilakukan rekayasa ulang heater head nya, yang dapat mencegah panas lebih, serta aman pada mesin dengan daya rendah . Namun tetap saja penyempurnaan ini tidak mampu meningkatkan daya saing mesin ini terhadap mesin-mesin pembakaran internal lainnya yang bermunculan dipasaran pada waktu itu yang harganya jauh lebih murah. Setelah itu, banyak mesin stirling dibuat dengan output dan efisiensi lebih tinggi. Mesin stirling mendapat perhatian kembali tahun 1940-an setelah Philips Co mulai mengembangkan mesin stirling sebagai pembangkit listrik portabel. Mesin itu juga diteliti sebagai refrigerator dan sukses mendinginkan sampai suhu 74 K. Penemuan baru baja tahan karat (stainless steel) dan berkembangnya pengetahuan pada proses mesin termodinamik yang kompleks, mengawali temuan mesin-mesin baru, menjelang dan sesudah perang Dunia ke II. Desain mesin udara panas yang disempurnakan , dengan bobot dan harga yang lebih murah, konstruksi dan operasinya yang mudah, dan yang lebih penting lagi adalah variasi bahan bakarnya yang tetap tidak berubah (bisa dengan udara ataupun gas). Ironisnya, beberapa negara maju justru tidak tertarik menggunakan sistem mesin yang “sangat sederhana” ini untuk umpamanya pada mesin otomotif yang canggih, sistem pembangkit daya (listrik,dll, bukan untuk daya dorong primer) pada pesawat ruang angkasa dll. Situasi ini kemudian berubah tahun 1980, setelah USAID (Agen AS untuk bantuan pengembangan internasional) mendanai pengembangan pembuatan mesin Stirling untuk negara-negara berkembang , dan itu dimulai dari Bangladesh. Dari sinilah berawal prospek pengembangan dan pemanfaatan mesin Stirling untuk negaranegara berkembang lainnya, di Afrika, Asia dan Amerika Latin, sebagai salah satu

6

solusi mesin yang murah dan hemat energi dengan menggunakan udara atau gas ( helium, hydrogen, nitrogen, methanol dsb) sebagai fluida kerjanya. Mesin Stirling generasi baru ini jauh lebih kuat, lebih efisien, tidak berisik, mudah penggunaannya, dan memiliki daya tahan yang lebih tinggi, serta mudah diproduksi secara massal. Digunakan antara lain untuk mesin pembangkit listrik, mesin pendingin, mesin pompa dll. Setelah itu mesin stirling diteliti secara luas di seluruh dunia. Kebijakan penghematan energi pun meningkatkan pengembangannya. Beberapa mesin dengan efisiensi tinggi dikembangkan. Saat ini, mesin stirling dengan berbagai sumber energi dikembangkan para peneliti di dunia. Pada masa datang, kita bisa melihat mesin stirling yang berkebisingan rendah, tahan lama, andal, operasi multibahan bakar, gas buang bersih, dan lain-lain. Beberapa perusahaan juga mendesain mesin stirling dengan helium sebagai gas kerja (konduktivitas lebih baik daripada udara).

2.3 Prinsip Kerja Prinsip Kerja Mesin stirling adalah mesin kalor yang unik karena efisiensi teoretisnya mendekati efisiensi teoretis maksimum, yang lebih dikenal dengan efisiensi mesin carnot. Mesin stirling digerakkan ekspansi gas ketika dipanaskan dan diikuti kompresi gas ketika didinginkan. Mesin itu berisi sejumlah gas yang dipindahkan antara sisi dingin dan panas terus-menerus. Piston displacer memindahkan gas antara dua sisi dan piston power mengubah volume internal karena ekspansi dan kontraksi gas. Robert Stirling menyebut piston yang berpindah sebagai regenerator. Renegerator itu dapat membangkitkan kembali udara. Jika piston bergerak ke atas, regenerator dialirkan melalui udara hangat dan mengambil sebagian energi dari udara dan menyimpannya. Jika piston bergerak ke bawah, dialirkan melalui udara dingin dan mengeluarkan energi yang disimpan. Dengan regenerator, mesin stirling mencapai efisiensi sangat baik.

7

Sebuah regenerator memungkinkan panas yang dihasilkan disimpan di dalam, sebagian menggantikan energi panas karena sedikitnya alih panas yang dimungkinkan melalui dinding heat-exchanger. Energi panas disimpan di dalam regenerator sementara gas penggerak menyusup ke ruangan yang dingin, dan kemudian dilepaskan sewaktu kembali ke ruangan ekspansi panas. Tenaga terjadi pada temperatur yang tinggi dan konstan, sangat ideal untuk setiap mesin. Kompresi terjadi pada temperatur rendah, dan hampir tidak ada energi panas yang hilang. Tenaga bersih yang dihasilkan adalah akibat perbedaan antara pengembangan gas bertemperatur tinggi dan mengkompresi gas bertemperatur rendah.

2.4 Siklus Stirling Siklus Stirling melibatkan serangkaian peristiwa yang mengubah tekanan gas di dalam mesin sehingga mesin dapat melakukan pekerjaan. Beberapa sifat gas yang sangat penting untuk pengoperasian mesin Stirling: 1.

Memiliki jumlah gas yang tetap dalam volume tetap diruang tersebut dan meningkatkan temperatur gas itu sehingga tekanan akan meningkat.

2.

Memiliki jumlah gas yang tetap dan mengkompres (mengurangi volume ruang nya) sehingga suhu gas akan meningkatkan. Siklus Stirling dirancang dengan baik sehingga gas yang bekerja umumnya

dikompresi dalam bagian yang lebih dingin dari mesin dan diperluas di bagian panas yang dihasilkan dalam konversi yang panas menjadi kerja. Sebuah penukar panas internal regeneratif meningkatkan efisiensi termal mesin Stirling sederhana dibandingkan dengan mesin udara panas.

8

Diagram p-v dan T-s siklus Stirling Siklus tersebut terdiri dari empat proses reversibel internal yang berurutan: 1. Kompresi isotermal dari 1  2 pada temperatur Tc, panas Q1 keluar dari sistem dan kerja dilakukan terhadap sistem. 2. Pemanasan pada volume konstan dari 2  3 suhu naik dari Tc ke TH dan tekanan juga naik dari p1 ke p2, tidak ada kerja yang dilakukan. 3. Ekspansi isotermal dari 3  4 pada temperatur TH panas Q2 masuk ke dalam sistem, sementara kerja dilakukan oleh sistem. 4. Pendinginan pada volume konstan dari 4  1, suhu turun dari T2 ke T1 dan tekanan juga turun dari p4 ke p1, tidak ada kerja yang dilakukan.

Regenerator yang memiliki nilai keefektifan 100% mengizinkan kalor yang terbuang selama proses 4-1 untuk digunakan sebagai masukan kalor di dalam proses 23. Oleh sebab itu, proses penambahan kalor secara eksternal ke dalam fluida kerja terjadi di dalam proses isotermal 3-4 dan semua kalor yang terbuang ke lingkungan terjadi di dalam proses 1-2. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa nilai efisiensi termal pada siklus Stirling diberikan melalui persamaan yang sama seperti yang digunakan pada siklus Carnot maupun Ericsson.

9

2.5 Jenis - Jenis Mesin Striling Mesin Stirling memiliki dua jenis yang dibedakan oleh cara mereka memindahkan udara antara sisi panas dan dingin dari silinder: 1. Dua piston “alpha” desain jenis memiliki piston dalam silinder terpisah, dan gas didorong antara ruang panas dan dingin. 2. Jenis mesin Stirling yang dikenal sebagai tipe “beta dan gamma”, menggunakan displacer (pemindah panas) mekanis yang telah terisolasi untuk mendorong gas kerja antara sisi panas dan dingin dari silinder. Displacer, cukup besar untuk mengisolasi sisi panas dan dingin dari silinder untuk menggantikan sejumlah besar gas. Jenis Ini harus memiliki jarak yang cukup antara displacer dan dinding silinder, untuk memungkinkan gas mengalir di sekitar displacer dengan mudah.

2.5.1 Alpha Stirling Mesin Stirling alfa berisi kekuatan dua piston dalam silinder yang terpisah, satu berada didingin dan satunya berada dipanas. Silinder panas terletak di dalam suhu tinggi penghantar panas (silinder yang dibakar) dan silinder dingin terletak di dalam displacer suhu rendah. Jenis mesin ini memiliki rasio power-to-volume tinggi, namun memiliki masalah teknis karena apabila suhu piston tinggi biasanya panas akan merambat ke pipa pemisah silinder . Dalam prakteknya, piston ini biasanya membawa isolasi yang cukup besar untuk bergerak jauh dari zona panas dengan mengorbankan beberapa ruang mati tambahan.

Contoh Kerja Mesin Striling Alfa:

1. Sebagian besar gas berkerja dalam silinder panas, yang telah dipanaskan melalui diding silinder panas dan mendorong piston panas ke bagian bawah (menarik udara). Dengan menarik udara dari bagian piston dingin. Pada titik 90 ° adalah titik balik dimana piston panas akan menjadi sebuah siklus mesin striling.

10

2. Gas sekarang pada volume maksimal. Piston di dalam silinder panas mulai bergerak, dan sebagian besar gas panas masuk ke dalam silinder dingin, di mana mendingin dan terjadi penurunan tekanan.

3. Hampir semua gas sekarang berada di silinder dingin dan pendinginan berlanjut. Piston dingin, didukung oleh momentum roda gila ( pasangan piston lain pada poros yang sama) kompresi bagian gas yang tersisa.

11

4. Gas pada silinder dingin mencapai volume minimum, dan sekarang akan masuk kedalam silinder panas di mana ia akan dipanaskan sekali lagi, dan memberikan lagi kekuatan pada piston untuk mendorong piston panas.

2.5.2 Beta Stirling Mesin Stirling beta memiliki piston daya tunggal yang diatur dalam silinder yang sama pada poros yang sama sebagai displacer piston. Silinder Piston displacer yang cukup longgar hanya berfungsi untuk antar jemput gas panas dari silinder panas ke silinder dingin. Ketika silinder dipanaskan gas mendorong dan memberikan piston kekuatan. Ketika piston terdorong ke dingin (titik bawah) silinder mendapat momentum dari mesin, dan ditingkatkan dengan roda gila. Tidak seperti jenis alfa, jenis beta tidak akan menyebabkan isolator (pipa pemisah jika dalam bentuk alfa) menjadi panas.

12

1. Piston tenaga (abu-abu atas) telah mengkompresi gas, piston displacer (abu-abu bawah) telah bergerak sehingga sebagian besar gas panas masuk kedalam silinder panas. 2. Gas yang dipanaskan meningkatkan tekanan dan mendorong Piston tenaga ke batas terjauh (titik bawah). 3. Piston displacer sekarang bergerak ke titik puncak, dan mengirim gas panas ke silinder dingin. 4. Gas didinginkan dan sekarang dikompresi oleh pinton tenaga dengan momentum dari roda gila. Langkah Ini membutuhkan energi yang lebih sedikit, karena tekanannya turun ketika didinginkan.

2.5.3 Gamma Stirling Mesin Stirling gamma hanyalah sebuah mesin Stirling beta, di mana piston tenaga sudah terpasang di dalam silinder yang terpisah samping silinder piston displacer, tapi masih terhubung ke roda gila sama. Gas dalam dua silinder dapat mengalir bebas karena mereka berada dalam satu tubuh. Konfigurasi ini menghasilkan

13

rasio kompresi lebih rendah, tetapi mekanis ini cukup sederhana dan sering digunakan didalam mesin Stirling multi-silinder.

2.6 Kelebihan mesin Stirling adalah :

1. Frekuensinya stabil/ konstan 2. Mesin Stirling dapat bekerja pada sembarang sumber energi panas, termasuk bahan kimia, sinar surya (solar), limbah pertanian (sekam, tempurung kelapa dsb), kayu bakar, berbagai produk minyak bakar (biomassa, biofuel dsb), panas bumi dan nuklir. 3. Kemungkinan implementasi mesin Stirling banyak sekali, namun sebagian besar masuk pada kategori mesin piston resiprokal. 4. Perbedaan yang menyolok dengan mesin pembakaran internal adalah potensi untuk menggunakan sumber panas terbarukan pada mesin Stirling lebih mudah, suara mesin lebih lembut (tenang), tidak berisik / bising dan biaya perawatannya lebih rendah. 5. Biaya kapital per unit daya ($/kW) dapat ditekan lebih rendah. Dibandingkan dengan mesin pembakaran internal untuk daya yang sama, maka biaya investasi

14

mesin Stirling untuk saat ini umumya masih lebih besar dan lebih berat, namun perawatannya jauh lebih mudah dan ekonomis. Sehingga secara menyeluruh biaya energinya masih dapat bersaing ketat. Efisiensi panasnya juga berimbang (untuk mesin-mesin yang kecil) berkisar antara 15% – 30%. Dengan basis biaya investasi per unit daya di atas, untuk unit generator dengan kapasitas s/d 100 kW., mesin Stirling masih kompetitif harganya.

15

BAB 3 PENUTUP 3.1 Kesimpulan Mesin stirling ditemukan tahun 1816 oleh Robert Stirling (1790-1878). Saat itu disebut mesin udara dengan model mesin pembakaran luar siklus tertutup. Dalam keluarga mesin kalor, mesin Stirling didefinisikan sebagai mesin regenerasi udara panas siklus tertutup. Dalam konteks ini, siklus tertutup berarti bahwa fluida kerjanya secara permanen terkurung di dalam sistem, di mana mesin siklus terbuka seperti mesin pembakaran internal dan beberapa mesin uap. Mesin stirling dapat diklasifikasian menjadi 3 tipe, yaitu mesin stirling alfa, mesin stirling beta, mesin stirling gamma.

3.2 Saran Penulis menyadari banyak kekurangan yang terdapat pada penulisan ini, penulis berharap tulisan ini tidak dijadikan sumber utama bagi penulis selanjutnya. Tulisan ini merupakan ringkasan dari beberapa sumber yang diperoleh penulis. Diharapkan juga penulis selanjutnya mencari sumber bacaan yang lebih terbaru.

16

DAFTAR PUSTAKA

Anonim. Termodinamika Teknik II. http://ft.unsada.ac.id/wp-content/uploads/2010/02/bab2-tm2.pdf diunduh pada tanggal 10 April 2013 jam 14.32

Anonim. Siklus Stirling. http://mesin.ub.ac.id/diktat_ajar/data/02_c_bab1n2_termo1.pdf diunduh pada tanggal 10 April 2013 jam 14. 40

Moran, Michael J dan Howard N Shapiro. 2004. Termodinamika Teknik Jilid 2. Jakarta: Erlangga.

Reynolds, William C dan Henry Cperkins. 1991. Termodinamika Teknik. Jakarta: Erlangga.