KARAKTERISTIK MOTOR STIRLING PISTON BEBAS BERPENDINGIN AIR TUGAS AKHIR - Karakteristik motor stirling piston bebas berpendingin air - USD Repository

KARAKTERISTIK MOTOR STIRLING PISTON BEBAS BERPENDINGIN AIR TUGAS AKHIR

  Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

  Program Studi Teknik Mesin Diajukan Oleh:

  RONALD UDO SALIEM NIM : 095214041

  Kepada

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2011

  CHARACTERISTIC of WATER COOLED FREE PISTON STIRLING ENGINE FINAL PROJECT

  Presented as Partial Fulfillment of the Requirement To Obtain the Sarjana Teknik Degree

  Mechanical Engineering Study Program By :

  RONALD UDO SALIEM NIM : 095214014

  For

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2011

  

KARAKTERISTIK MOTOR STIRLING PISTON BEBAS

BERPENDINGIN AIR

  Disusun oleh: RONALD UDO SALIEM

  NIM : 095214041 Telah disetujui oleh:

  Pembimbing Utama Tanggal 22 September 2011 Ir. FA. Rusdi Sambada, M.T.

  

KARAKTERISTIK MOTOR STIRLING PISTON BEBAS

BERPENDINGIN AIR

  Dipersiapkan dan disusun oleh: Nama : Ronald Udo Saliem NIM : 095214041

  Telah dipertahankan di depan panitia penguji pada tanggal 23 September 2011 dan dinyatakan memenuhi syarat Susunan Panitia Penguji :

  Nama Lengkap Tanda Tangan Ketua : Ir. Rines, MT ..........................

  Sekretaris : RB. Dwiseno Wihadi, ST., Msi ...........................

  Anggota : Ir. FA. Rusdi Sambada, M.T. ...........................

  Yogyakarta, 29 September 2011 Fakultas Sains dan Teknologi

  Universitas Sanata Dharma Yogyakarta Dekan

  ( Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. )

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

  Dengan ini penulis menyatakan bahwa dalam Tugas Akhir ini tidak terdapat karya yang pernah dibuat dan belum pernah diajukan di perguruan tinggi manapun. Penulis dapat mempertanggung jawabkan bahwa Tugas Akhir ini merupakan hasil karya yang otentik serta sepanjang pengetahuan penulis juga tidak terdapat karya yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

  Yogyakarta, 22 September 2011 Ronald Udo Saliem

  

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH

UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

  Yang bertanda tangan dibawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma : Nama : Ronald Udo Saliem Nomor Mahasiswa : 095214041 Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah dengan judul :

KARAKTERISTIK MOTOR STIRLING PISTON BEBAS BERPENDINGIN AIR

  Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikannya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.

  Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya.

  Dibuat di Yogyakarta Pada tanggal : 22 September 2011 Yang menyatakan Ronald Udo Saliem

  

INTISARI

Energi mempunyai peranan penting dalam berbagai kegiatan manusia.

  Hampir semua kebutuhan energi manusia diperoleh dari konversi sumber energi fosil. Tentunya penggunaan energi meningkat pesat sejalan dengan pertumbuhan ekonomi dan pertumbuhan penduduk.

  Mesin-mesin kendaraan, mesin pompa, mesin pembangkit listrik (genset), tidak lepas dari penggunaan energi fosil. Dalam waktu jangka panjang dapat mengakibatkan sumber energi fosil semakin menipis. Menanggapi situasi ini perlu dikembangkan alternatif-alternatif untuk menekan konsumsi penggunaan energi fosil. Penggunaan motor stirling dapat menjadi salah satu alternatif kerena sumber energinya berasal dari energi panas.

  Unjuk kerja mengenai stirling saat ini belum banyak diteliti sehingga masih perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk bisa dimanfaatkan secara optimal. Tujuan penelitian ini adalah membuat model stirling jenis piston bebas untuk mengetahui daya dan efisiensi termal yang dihasilkan.

  (free piston)

  Model stirling piston bebas ini menggunakan spiritus sebagai sumber energi termal. Komponen utama yang digunakan terdiri dari bahan bahan yang mudah didapat di pasaran, seperti silinder stainless steel Ø250 mm x 49 mm sebagai silinder. Silinder aluminium Ø220 mm x 41 mm sebagai displacer, pegas dengan panjang 270 mm dan silikon sebagai membrannya. Model alat yang dibuat memiliki dimensi utama 350 mm x 350 mm x 800 mm. Variasi yang dilakukan pada stirling piston bebas ini adalah variasi pada penambahan beban pada displacer dan variasi ketinggian displacer dari sisi panas.

  Dari hasil perancangan model stirling piston bebas, didapatkan daya maksimal yang dihasilkan adalah sebesar 2,981 mili watt. Sedangkan efisiensi termal terbesar dari stirling piston bebas ini sebesar 24,14 %. Kata Kunci : Stirling Piston Bebas, Energi Panas, Daya, Efisiensi Termal

KATA PENGANTAR

  Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan segala rahmat dan karunianya, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul

  “Karakteristik Motor Stirling Piston Bebas Berpendingin Air ”. Tugas Akhir ini sebagai pemenuhan persyaratan untuk

  mencapai derajat sarjana S-1 program studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.

  Tugas Akhir ini dapat terwujud berkat bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada:

  1. Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan segala kasih dan karunia-Nya dalam membimbing penulis selama ini.

  2. Keluarga yang telah memberikan dukungan spiritual, moral dan materi sehingga menjadikan inspirasi penulis untuk selalu berbuat lebih.

  3. Bapak Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.

  4. Bapak Ir. PK. Purwadi, M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin.

  5. Bapak Wibowo Kusbandono, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing Akademik.

  6. Bapak Ir. FA. Rusdi Sambada, M.T. selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir yang telah mendampingi dan memberikan bimbingan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

  7. Bapak Doddy Purwadianto, S.T., M.T selaku Kepala Laboratorium Energi yang telah memberikan ijin dalam penggunaan fasilitas laboratorium.

  8. Para dosen dan laboran Program Studi Teknik Mesin, serta para karyawan sekretariat Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.

  9. Rekan seperjuangan penulis yaitu Denny Christian dan Febritya Christ Sujatmoko, atas suka dan duka yang dialami bersama dalam menyelesaikan Tugas Akhir.

  10. Cinthya Wijayani dan Franky Goestaman yang telah memberikan motivasi dalam menyelesaikan penyusunan naskah Tugas Akhir.

  11. Rekan – rekan “Yure!” dan “JSN” yang telah memberikan kebersamaan yang luar biasa.

  12. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu, namun telah banyak memberikan dukungan dan perhatian baik secara langsung atau tidak langsung.

  Akhir kata, “tak ada gading yang tak retak”, karena menurut penulis, Tugas Akhir ini tentu ada kekurangannya. Untuk lebih menyempurnakan Tugas Akhir ini dengan senang hati penulis menerima segala kritik dan saran dari para pembaca. Dengan segala kerendahan hati, apabila terdapat kata-kata yang kurang berkenan di hati para pembaca, penulis mohon maaf dan sekali lagi penulis berterima kasih kepada semua pihak yang telah membantu dalam penyelesaian Tugas Akhir ini.

  Yogyakarta, 22 September 2011 Penulis

  

DAFTAR ISI

  ........................................................................................... i

  HALAMAN JUDUL

  ...................................................................................................... ii

  TITLE PAGE

HALAMAN PERSETUJUAN ........................................................................... iii

HALAMAN PENGESAHAN ............................................................................ iv

HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ...................................... v

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ....................... vi

  ............................................................................................................ vii

  INTISARI

  ........................................................................................ viii

  KATA PENGANTAR

  ....................................................................................................... x

  DAFTAR ISI

  .......................................................................................... xii

  DAFTAR GAMBAR

  ............................................................................................... xiv

  DAFTAR TABEL

  BAB I PENDAHULUAN

  1.1

  1 Latar Belakang...................................................................................

  1.2

  2 Batasan Masalah.................................................................................

  1.3

  3 Tujuan Penelitian................................................................................

  1.4

  4 Manfaat...............................................................................................

  BAB II TINJAUAN PUSTAKA

  2.1

  5 Penelitian yang Pernah Dilakukan.....................................................

  2.2

  10 Dasar Teori.........................................................................................

  2.2.1

  11 Macam – Macam Motor Stirling..............................................

  2.2.2

  13 Motor Stirling Piston Bebas.....................................................

  2.2.3 Siklus Stirling Ideal..................................................................

  27

  LAMPIRAN

  46 DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................... 48

  46

  5.2 Saran...................................................................................................

  5.1 Kesimpulan.........................................................................................

  32 BAB V PENUTUP

  30

  4.2 Perhitungan dan Pembahasan.............................................................

  4.1 Data Penelitian...................................................................................

  29 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

  26

  2.3 Persamaan yang Digunakan...............................................................

  24

  24

  20

  3.6 Analisa Data.......................................................................................

  3.5 Metode dan Langkah Pengambilan Data...........................................

  3.4 Variabel yang Divariasikan................................................................

  3.3 Variabel yang Diukur.........................................................................

  3.2 Prinsip Alat Kerja...............................................................................

  3.1 Skema Alat Penelitian........................................................................

  17 BAB III METODE PENELITIAN

  14

  ........................................................................................................ 49

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Motor Stirling yang Dipatenkan Oleh Dr. Robert Stirling Pada

  Tahun 1816 dan Digunakan Untuk Memompa Air dari Penggalian Pada Tahun1818........................................................

  6 Gambar 2.2 Motor Stirling yang Dikembangkan Oleh Stirling Bersaudara Pada Tahun 1827.........................................................................

  6 Gambar 2.3 Motor Stirling yang Mengalami Perbaikan Pada Tahun 1840....

  7 Gambar 2.4 Motor Stirling yang Digunakan di Peleburan Besi Dundee........

  8 Gambar 2.5 Motor Stirling Piston Bebas Ciptaan Profesor William T. Beale 10

Gambar 2.6 Skema Motor Stirling Tipe Alfa.................................................. 11Gambar 2.7 Skema Motor Stirling Tipe Beta.................................................. 12Gambar 2.8 Skema Motor Stirling Tipe Gama................................................ 13Gambar 2.9 Cara Kerja Motor Stirling Piston Bebas...................................... 13Gambar 2.10 Siklus Ideal Motor Stirling (A) Diagram Tekanan

• – Volume (B) Diagram Temperatur

  15 – Entropi.............................................

Gambar 3.1 Model Motor Stirling Piston Bebas Berpendingin Air................ 20Gambar 3.2 Detail Konstruksi Membran......................................................... 21Gambar 3.3 Detail Konstruksi Komponen Utama Motor Stirling................... 22Gambar 3.4 Ilustrasi Pengukuran Panjang Osilasi.......................................... 25Gambar 3.5 Ilustrasi Penghitungan Jumlah Langkah...................................... 25Gambar 3.6 Ilustrasi Variasi ketinggian Displacer......................................... 26Gambar 3.7 Ilustrasi Variasi Penambahan Beban........................................... 27Gambar 4.1 Grafik Temperatur Terhadap Waktu............................................ 38Gambar 4.2 Grafik Beda Temperatur Terhadap Waktu.................................. 39Gambar 4.3 Grafik Daya Terhadap Waktu...................................................... 40Gambar 4.4 Grafik Daya Terhadap Beda Temperatur..................................... 43Gambar 4.5 Grafik Efisiensi Termal Terhadap Waktu.................................... 44Gambar 4.6 Grafik Efisiensi Termal Terhadap Beda Temperatur................... 45

  

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data Dengan Variasi Posisi Displacer 0 mm (Panjang Pegas 310 mm) dan Beban Displacer 0 gr.......................................................

  30 Tabel 4.2 Data Dengan Variasi Posisi Displacer 0 mm (Panjang Pegas 330 mm) dan Beban Displacer 50 gr.....................................................

  30 Tabel 4.3 Data Dengan Variasi Posisi Displacer 1 mm (Panjang Pegas 332 mm) dan Beban Displacer 50 gr.....................................................

  31 Tabel 4.4 Data Dengan Variasi Posisi Displacer 2 mm (Panjang Pegas 333 mm) dan Beban Displacer 50 gr.....................................................

  31 Tabel 4.5 Data Dengan Variasi Posisi Displacer 4 mm (Panjang Pegas 335 mm) dan Beban Displacer 50 gr.....................................................

  31 Tabel 4.6 Hasil Perhitungan Dengan Variasi Posisi Displacer 0 mm (Panjang Pegas 310 mm) dan Beban Displacer 0 gr.......................

  35 Tabel 4.7 Hasil Perhitungan Dengan Variasi Posisi Displacer 0 mm (Panjang Pegas 330 mm) dan Beban Displacer 50 gr.....................

  35 Tabel 4.8 Hasil Perhitungan Dengan Variasi Posisi Displacer 1 mm (Panjang Pegas 332 mm) dan Beban Displacer 50 gr.....................

  36 Tabel 4.9 Hasil Perhitungan Dengan Variasi Posisi Displacer 2 mm (Panjang Pegas 333 mm) dan Beban Displacer 50 gr.....................

  36 Tabel 4.10 Hasil Perhitungan Dengan Variasi Posisi Displacer 4 mm (Panjang Pegas 335 mm) dan Beban Displacer 50 gr.....................

  37

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

  Saat ini kemajuan di berbagai bidang kehidupan sudah berkembang sangat pesat. Kemajuan tersebut dapat berupa suatu inovasi ataupun suatu penemuan baru. Tentunya kemajuan itu ada yang direspon dengan baik oleh masyarakat dan ada yang kurang mendapat respon. Masyarakat dikatakan merespon dengan baik jika mereka dapat memanfaatkan kemajuan situasi tersebut.

  Berbagai bentuk sumber penggerak yang diaplikasikan di mesin banyak di jumpai dalam kehidupan sehari - hari. Sumber penggerak itu mempunyai sumber energi yang berbeda beda. Sebagai contohnya adalah motor listrik, turbin, dan masih banyak contoh lainnya dimana dari jenis penggerak tersebut juga bergantung pada sumber energi penggeraknya. Stirling engine (motor stirling) merupakan salah satu penemuan teknologi sumber penggerak untuk memberikan alternatif yang dapat diaplikasikan pada kehidupan sehari

• – hari. Dengan prinsip dasar termodinamika yang memanfaatkan panas sebagai sumber energi utamanya.

  Dalam usaha meningkatkan konversi energi panas ke kerja, motor stirling memiliki potensi untuk mencapai efisiensi tertinggi dari semua motor kalor, secara teori sampai efisiensi maksimal motor carnot, meskipun dalam prakteknya usaha ini terus dibatasi oleh berbagai sifat

• – sifat non-ideal dari fluida kerjanya

maupun bahan dari mesin itu sendiri, seperti gesekan, konduktivitas termal, kekuatan tarik, titik lebur, dan lain

• – lain. Motor stirling dapat dioperasikan melalui berbagai macam sumber panas, seperti tenaga matahari, kimia maupun nuklir. Dibandingkan dengan motor pembakaran internal, motor stirling memiliki potensi lebih efisien, lebih tenang, dan lebih mudah perawatannya.

  Belakangan ini, keuntungan motor stirling terus meningkat, hal ini dimungkinkan dengan adanya kenaikan harga energi, kelangkaan sumber energi, sampai kepedulian tentang masalah lingkungan seperti pemanasan global. Ketertarikan yang meningkat terhadap motor stirling ini berakibat dengan terus bertambahnya penelitian mengenai motor stirling tersebut. Aplikasinya termasuk pompa air, dan sebagai pembangkit listrik yang berbeda dari motor pembakaran internal karena menggunakan sumber energi dari matahari, sampah pertanian dan sampah rumah tangga.

  Para Insinyur mengategorikan motor stirling menjadi tiga jenis, yaitu motor stirling tipe alfa, beta dan gama. Namun seiring berjalannya waktu, banyak ahli mesin yang mencoba mengembangkan motor stirling. Saat ini sudah terdapat banyak jenis motor stirling, diantaranya adalah free piston stirling engine (motor stirling piston bebas).

1.2 Batasan Masalah

  Pada tugas akhir ini akan diteliti karakteristik motor stirling piston bebas dengan pendingin air. Alasannya karena motor stirling jenis ini merupakan yang sederhana, terdiri dari komponen - komponen yang mudah didapat dan mudah

• – bengkel lokal untuk pengembangan yang lebih lanjut.

  e) Rugi – rugi yang disebabkan gesekan antara pegas dan pipa, kebocoran alat dalam skala kecil, dan lain - lain diabaikan.

  t ) yang dihasilkan.

  c) Meneliti efisiensi termal (η

  a) Membuat model motor stirling piston bebas dengan desain satu pegas, panjang langkah piston 8 mm, dan menggunakan pendingin air.

  Tujuan penelitian antara lain:

  f) Kelelahan pegas dan membran diabaikan.

  2 .

  dibuat. Tidak perlu menggunakan teknologi tinggi dalam pembuatannya. Sehingga mampu dilakukan oleh bengkel

  d) Percepatan gravitasi yang digunakan untuk perhitungan adalah 9,81 m/detik

  3 dan dianggap konstan.

  c) Masa jenis (ρ) air yang digunakan untuk perhitungan adalah 1000 kg/m

  b) Fluida kerja yang digunakan adalah udara dan air.

  a) Penelitian ini akan dilakukan dengan menggunakan spritus sebagai sumber energi. Spritus akan digunakan untuk membakar bidang bakar yang berbentuk lingkaran yang merupakan sisi panas dari motor stirling.

  Dalam penelitian ini digunakan beberapa batasan sebagai berikut:

1.3 Tujuan Penelitian

b) Meneliti daya (W) yang dihasilkan.

1.4 Manfaat

  Manfaat yang akan didapat dari penelitian ini adalah:

  a) Menambah kepustakaan tentang motor stirling khususnya motor stirling piston bebas.

  b) Membantu mahasiswa berlatih berpikir aktif, kreatif dan logis dalam menemukan penyelesaian masalah.

  c) Dapat dikembangkan ke penelitian selanjutnya sehingga diharapkan dapat diterapkan di masyarakat.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Penelitian yang Pernah Dilakukan

  Pada tahun 1816 Dr. Robert Stirling, seorang pendeta berkebangsaan Skotlandia menciptakan sebuah motor bakar eksternal dengan siklus tertutup.

  Motor tersebut dia namakan stirling air engine yang kemudian dikenal sebagai

  

stirling engine (motor stirling). Robert Stirling mematenkan ciptaannya dengan

  judul “Improvements for Diminishing the Consumption of Fuel, and in particular

  

an Engine capable of being Applied to the Moving (of) Machinery on a Principle

Entirely New” (Finkelstein, 2001 : 21). Subjek utama dari paten adalah sebuah

  penukar panas yang disebut oleh Robert Stirling sebagai economiser. Economiser bertujuan untuk penghematan bahan bakar di berbagai aplikasi. Di dalam paten itu dijelaskan secara rinci kerja dari suatu bentuk economiser pada desain motor udara siklus tertutup. Economiser ini sekarang biasa kita kenal sebagai

  

regenerator . Penggunaan motor stirling pertama kali pada tahun 1818 untuk

  memompa air dari penggalian (Wikipedia, 18 Juli 2011). Perkembangan selanjutnya Dr. Robert Stirling mengajak saudaranya, James Stirling, seorang Insinyur. Pengembangan awal yang dilakukan oleh mereka adalah perbaikan tingkat tekanan dengan menggunakan pompa dorong. Pengembangan lainnya penggunaan motor kembar yang mempunyai piston ganda dan memisahkan silinder displacer. Antara tahun 1824 sampai 1840 beberapa perbaikan dan pengembangan telah dilakukan oleh Stirling bersaudara. Mereka mendapatkan hak paten pada tahun 1827 dan tahun 1840.

  Motor Stirling yang Dipatenkan oleh Dr. Robert Stirling Pada Tahun

  Gambar 2.1

  1816 dan Digunakan untuk Memompa Air dari Penggalian Pada Tahun 1818 (Finkelstein, 2001 : 22)

Gambar 2.2 Motor Stirling yang Dikembangkan Oleh Stirling Bersaudara Pada

  Tahun 1827 (Finkelstein, 2001 : 28)

  Motor Stirling yang Mengalami Perbaikan Pada Tahun 1840

  Gambar 2.3

  (Finkelstein, 2001 : 28) Sering terjadinya ledakan ketel uap pada mesin uap memotivasi para penemu untuk menciptakan mesin yang lebih aman. Pada Maret 1843, motor stirling mulai digunakan di dunia industri. Salah satunya adalah pabrik peleburan besi Dundee. Motor ini mampu menghasilkan rata

• – rata 45 h.p pada putaran 30 rpm. Tekanan minimun dan maksimum yang dihasilkan adalah 10 dan 15 atm. Batas temperatur udara adalah 100 °F dan 600 °F. Namun penggunaan motor stirling di Dundee hanya bertahan 4 tahun setelah pemilik pabrik hilang kesabaran karena tiga kali silinder bawahnya rusak.

Setelah kegagalan motor stirling di Dundee, tidak ada catatan lebih lanjut tentang pengembangan motor stirling oleh Stirling bersaudara. Dan setelah itu motor stirling tidak mampu menyaingi mesin uap sebagai sumber listrik dalam dunia industri, karena mesin uap dianggap lebih efisien walaupun dengan resiko meledaknya ketel. Pada tahun 1860, motor stirling dalam bentuk yang lebih kecil dibuat dalam jumlah yang besar karena kebutuhan akan daya dalam skala kecil dan menengah seperti menaikkan air atau menyediakan udara untuk organ gereja. Umumnya motor stirling kecil ini dioperasikan pada suhu rendah sehingga aman dioperasikan oleh siapapun yang mampu mengatur pengapian.

Gambar 2.4 Motor Stirling yang Digunakan di Peleburan Besi Dundee

  (Finkelstein, 2001 : 31)

• – Awal abad kedua puluh, peran motor stirling dalam kehidupan sehari hari secara bertahap diambil alih oleh motor listrik yang menggunakan motor pembakaran internal kecil. Dan akhirnya pada akhir 1930 an motor stirling mulai dilupakan. Jika diproduksi, itu pun hanya sebagai mainan. Pada saat bersamaan,

pabrik elektronik Philips di Belanda sedang berusaha memperluas pasar penjualan radio ke bagian dunia yang dimana pasokan listrik dan baterai tidak pasti. Untuk mendukung hal tersebut dibutuhkan sebuah generator kecil yang mudah dibawa. Para Insinyur Philips di Eindoven ditugaskan untuk membuat generator tersebut. Setelah membandingkan sistem kerja berbagai macam motor penggerak utama, meraka memutuskan untuk menggunakan motor stirling karena dapat beroperasi dengan tenang sehingga tidak mengganggu suara yang dihasilkan oleh radio. Selain itu, kemampuannya yang dapat dijalankan dengan berbagai macam sumber panas menjadi nilai tambah tersendiri. Para Insinyur Philips juga ingin mencoba melakukan pengembangan motor stirling dengan menggunakan bahan

• – bahan yang lebih modern sehingga memungkinkan adanya perbaikan besar.

  Philips terus mengembangkan motor stirling untuk berbagai macam aplikasi sampai akhir tahun 1970. Dari semua pengembangan motor stirling, hanya stirling engine crycooler yang sukses dikomersialkan. Walaupun demikian, perusahaan Philips banyak mematenkan penemuan mereka dan memberikan lisensi kepada perusahaan lain yang menjadi dasar dari banyak pengembangan di era modern.

  Pada tahun 1971 Profesor William T. Beale menciptakan motor stirling piston bebas dan mendapatkan hak paten di Amerika Serikat (Sun Power, 19 Juli 2011 : 5). Mulai tahun 1986, perusahaan Infinia mengembangkan motor stirling piston bebas dan thermoacoustic cooler. Desain yang dipublikasikan menggunakan bantalan lentur dan siklus gas helium yang tertutup rapat. Untuk mendapatkan kepercayaan, desain diuji lebih dari 20 tahun.

Gambar 2.5 Motor Stirling Piston Bebas Ciptaan Profesor William T. Beale

  (Finkelstein, 2001 : 132)

2.2 Dasar Teori

  Di dalam kelompok motor kalor, motor stirling didefinisikan sebagai mesin regenerasi udara panas siklus tertutup. Dalam konteks ini, siklus tertutup berarti bahwa fluida kerjanya secara permanen terkurung di dalam sistem. Berbeda dengan siklus terbuka seperti motor pembakaran internal dan beberapa mesin uap yang menukarkan fluida kerja dengan lingkungan sekitar sebagai bagian dari siklus kerjanya. Regenerasi berarti bahwa adanya penggunaan penukar panas internal, yang dapat meningkatkan efisiensi atau biasa disebut regenerator.

  Motor stirling beroperasi melalui penggunaan sumber panas eksternal dan pendinginan eksternal, masing

• – masing dijaga agar memiliki beda temperatur yang cukup besar.

2.2.1 Macam – Macam Motor Stirling

  Para Insinyur mengelompokkan motor stirling menjadi tiga kelompok besar, yaitu:

1. Motor stirling tipe alfa

  Berisi dua buah piston yang terpisah dalam dua buah silinder, yang satu dingin dan panas. Silinder panas terletak di dalam sisi panas heat exchanger sedangkan silinder dingin terletak di dalam sisi dingin heat exchanger. Jenis ini memiliki perbandingan rasio tenaga dan volume yang tinggi.

  (A) (B)

  (C) (D)

Gambar 2.6 Skema Motor Stirling Tipe Alfa (Wikipedia, 18 Juli 2011) 2.

  Motor stirling tipe beta Terdiri dari sebuah piston dan displacer yang dipasang satu sumbu dalam silinder yang sama. Displacer dibuat longgar dan tidak menerima gaya apapun dari pemuaian gas tetapi hanya berfungsi untuk memindahkan gas dari sisi panas ke sisi dingin (atau sebaliknya). Ketika gas tertekan ke sisi panas silinder, gas akan memuai dan mendorong piston. Dorongan dari piston ini menimbulkan momentum. Momentum (biasanya disebabkan oleh roda gila) akan mendorong kembali piston. Dorongan piston ini menyebabkan gas terkompres.

  (A) (B) (C) (D)

Gambar 2.7 Skema Motor Stirling Tipe Beta (Wikipedia, 18 Juli 2011) 3.

  Motor stirling tipe gama Tipe ini adalah bentuk lain dari motor stirling tipe beta yang pemasangan silinder piston terletak disamping silinder displacer tetapi masih terhubung dengan roda gila yang sama. Walaupun terdiri dua silinder, tetapi gas di dalamnya dapat mengalir bebas diantara dua silinder tersebut. Motor stirling tipe ini menghasilkan rasio kompresi yang rendah tetapi memiliki mekanisme sederhana oleh karena itu sering digunakan dalam motor stirling banyak silinder.

Gambar 2.8 Skema Motor Stirling Tipe Gama (Magical Machines, 3 Agustus

  2011)

2.2.2 Motor Stirling Piston Bebas

  (A) (B) (C) (D) Cara Kerja Motor Stirling Piston Bebas (Gyroscope, 19 Juli 2011)

  Gambar 2.9

  Berikut ini adalah siklus dari Gambar 2.9: A.

  Fase pendinginan isokhorik Piston displacer (piston yang besar) bergerak ke bawah, pendinginan udara di dalam motor dimulai.

  B.

  Fase kompresi isotermal Suhu udara di dalam motor sudah dingin maka tekanan turun. Piston tenaga (piston yang kecil) tertarik ke bawah karena tekanan yang menurun. Piston displacer sekarang berada di dasar silinder dan pendinginan sudah mencapai puncaknya.

  C.

  Fase pemanasan isokhorik Piston displacer terdorong ke atas oleh pegas. Pemanasan udara di dalam motor dimulai.

  D.

  Fase ekspansi isotermal Suhu udara di dalam motor meningkat maka tekanan udara juga meningkat. Udara memuai dan piston tenaga akan terdorong ke atas.

  Piston displacer sekarang berada di atas. Pemanasan sudah mencapai puncaknya.

  Siklus akan berulang sampai perbedaan temperatur antara sisi panas dan sisi dingin menjadi kecil.

2.2.3 Siklus Stirling Ideal

  Siklus stirling ideal terdiri dari empat proses termodinamika, berikut ini penggambaran siklus stirling ideal. a) (P (K) n na uhu

  S eka T

3 Volume (m ) Entropi (J/K)

  (A) (B) Siklus Ideal Motor Stirling (A) Diagram Tekanan

  Gambar 2.10

• – Volume (B) Diagram Temperatur – Entropi

  1 2 : Ekspansi Isotermal (temperatur tetap)

  Gas tekanan tinggi menyerap panas dari sisi panas melalui penukar panas. Sehingga piston mulai bergerak.

  2 3 : Isokhorik (volume tetap)

  memindahkan semua gas menuju sisi dingin melewati

  Displacer Panas akan diserap dari gas saat melewati regenerator. regenerator.

  Suhu yang berkurang menyebabkan tekanan gas berkurang secara signifikan.

  3 4 : Kompresi isotermal

  Piston melakukan kerja pada gas dan mengkompresnya pada akhir suhu dingin. Panas akan dibuang ke sisi dingin melalui penukar panas.

  Karena tekanan gas rendah, kerja yang dibutuhkan untuk kompresi lebih kecil dari pada yang diperoleh selama ekspansi. Siklus menghasilkan keluaran kerja bersih.

  4 1 : Isokhorik

  akan memindahkan gas menuju sisi panas melalui

  Displacer

  . Panas akan ditambahkan ketika melewati regenerator

  regenerator

  maka akan meningkatkan suhu gas. Ketika suhu meningkat, maka tekanan meningkat secara signifikan, dan sistem kembali ke kondisi awal. Hukum

• – hukum termodinamika merupakan batasan – batasan umum yang memusatkan perhatian pada energi dan transformasinya. Energi adalah abstraksi matematik yang tidak terpisahkan dari hubungan fungsionalnya dengan variabel
• – variabel yang memiliki sebuah penafsiran fisis dan yang dapat diukur, contoh : energi kinetik suatu massa merupakan fungsi dari kecepatan massa tersebut, dan ia tidak memiliki kenyataan yang lain.

  Hukum pertama adalah prinsip kekekalan energi yang memasukkan kalor sebagai model perpindahan energi. Menurut hukum pertama, energi dalam suatu benda dapat ditingkatkan dengan menambahkan kalor ke benda atau dengan melakukan kerja pada benda. Kenaikan energi dalam dari suatu sistem termodinamika sebanding dengan jumlah kalor yang ditambahkan ke dalam sistem dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh sistem terhadap lingkungannya. Hukum pertama tidak membatasi tentang arah perpindahan kalor yang dapat terjadi.

  Motor carnot adalah mesin kalor hipotetis yang beroperasi dalam suatu siklus reversibel yang disebut siklus carnot. Model dasar motor ini dirancang oleh Nicolas Leonard Sadi Carnot, seorang Insinyur militer Perancis pada tahun 1824. Model motor carnot kemudian dikembangkan secara grafis oleh Emile Clapeyron pada tahun 1834, dan diuraikan secara matematis oleh Rudolf Clausius pada 1850 an dan 1860 an. Dari pengembangan Clausius dan Clapeyron inilah konsep dari entropi mulai muncul.

  Setiap sistem termodinamika berada dalam keadaan tertentu. Sebuah siklus termodinamika terjadi ketika suatu sistem mengalami rangkaian keadaan- keadaan yang berbeda, dan akhirnya kembali ke keadaan semula. Dalam proses melalui siklus ini, sistem tersebut dapat melakukan kerja terhadap lingkungannya, sehingga disebut motor kalor.

  Sebuah motor kalor bekerja dengan cara memindahkan energi dari daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih dingin, dan dalam prosesnya, mengubah sebagian energi menjadi usaha mekanis. Sistem yang bekerja sebaliknya, dimana gaya eksternal yang dikerjakan pada suatu mesin kalor dapat menyebabkan proses yang memindahkan energi panas dari daerah yang lebih dingin ke energi panas disebut refrigerator.

2.3 Persamaan yang Digunakan

  Frekuensi adalah banyaknya osilasi tiap satuan waktu. Dapat dihitung dengan menggunakan rumus : (Hz) (2.1)

  = dengan : : Jumlah langkah : Waktu yang diperlukan (detik)

  Kecepatan air yang dipindahkan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : (m/s) (2.2)

  = 2 dengan : : Frekuensi (Hz) : Panjang langkah (m)

  Volume Air yang dipindahkan dalam tiap detik dapat dihitung dengan persamaan:

  3

  (m /s) (2.3) = dengan :

  : Luas penampang selang (m) : Kecepatan osilasi (m/detik)

  Tekanan yang dihasilkan pompa dapat dihitung dengan persamaan: (N/m²) (2.4)

  = dengan : : Massa jenis air (kg/m3)

  : Percepatan gravitasi (m/s²) : Panjang osilasi (m)

  Daya pemompaan yang dihasilkan pompa air dapat dihitung dengan persamaan: (watt) (2.5)

  = dengan:

  2

  ) : Tekanan yang dihasilkan (N/m

  3

  /s) : Volume Air yang dipindahkan dalam tiap detik (m

  Efisiensi termal stirling dapat dihitung dengan persamaan (Cengel, 2006 : 506): = 1 (2.6)

  − dengan: : Temperatur sisi dingin (K)

  : Temperatur sisi panas (K)

BAB III METODE PENELITIAN

3.1 Skema Alat Penelitian

  3

  5

  35 cm 35 cm

  80 cm

  10

  6

  Model motor stirling piston bebas yang dibuat terdiri dari beberapa komponen utama yaitu displacer, membran, silinder dan pegas. Sistem osilasi air menggunakan selang waterpas yang dihubungkan pada bagian sisi dingin. Motor stirling piston bebas ini menggunakan plat besi siku sebagai dudukannya.

Gambar 3.1 Model Motor Stirling Piston Bebas Berpendingin Air

  4

  1

  11

  2

  8

  9

  7 Keterangan:

  1. Sisi panas

  7. Batang displacer

  2. Displacer

  8. Pegas

  3. Silinder

  9. Rangka

  4. Sisi dingin

  10. Beban

  5. Membran

  11. Selang Osilasi

  6. Air pendingin

Gambar 3.2 Detail Konstruksi Membran

  membran multiplex karet karet karet multiplex

  ∅9,5

  41

  49

  ∅220 ukuran dalam mm ∅250

Gambar 3.3 Detail Konstruksi Komponen Utama Motor Stirling

  Motor stirling piston bebas terdiri dari beberapa komponen yang mudah didapat dan mudah dikerjakan, yaitu:

1. Displacer Menggunakan aluminium dengan ketebalan dinding ±1 mm.

  Dipilihnya material ini mengingat bahwa displacer harus terbuat dari bahan yang ringan. Sehingga saat tekanan di dalam stirling naik, membran yang digunakan mampu untuk mengangkat displacer. Tidak seperti pada umumya, displacer pada motor stirling piston bebas ini memiliki celah antara diding silinder bagian dalam. Hal ini dikarenakan jika displacer dibuat sliding dengan dinding silinder bagian dalam, maka akan terjadi gesekan yang menghambat laju dari langkah displacer tersebut. Displacer ini hanya berfungsi sebagai pemindah udara dari sisi panas ke sisi dingin atau sebaliknya.

  2. Membran Terbuat dari bahan yang elastis dan tahan terhadap panas. Pada alat ini menggunakan bahan dari karet sintesis. Konstruksi membran seperti pada Gambar 3.2.

  3. Pegas Pegas yang digunakan memiliki kekakuan pegas sebesar (k= 24,5

  N/m) dengan panjang normal 270 mm. Pegas ini berfungsi sebagai pembawa displacer. Sehingga berat displacer menjadi semakin ringan.

  Selain alat utama seperti Gambar 3.1, digunakan alat-alat pendukung sebagai berikut:

  1. Stopwatch Digunakan untuk mengukur waktu saat air mulai berosilasi dan menghitung frekuensi / langkah terhadap waktu.

  2. Termokopel & Termometer Digunakan untuk mengukur suhu pada sisi panas dan sisi dingin.

  3. Milimeter blok Digunakan untuk mengukur panjang langkah osilasi.

  4. Kompor spiritus Digunakan sebagai sumber energi termal.

  3.2 Prinsip Alat Kerja

  Prinsip kerja dari motor stirling piston bebas ini adalah, ketika bagian sisi panas menerima panas dari sumber energi termal maka fluida kerja (udara) di dalam stirling akan mengembang sehingga tekanan menjadi naik. Karena tekanan naik, membran akan mengembang dan displacer akan bergerak ke atas (ekspansi).

  Pergerakan displacer ini menyebabkan udara yang berada di sisi dingin berpindah ke sisi panas.

  Ketika displacer mencapai titik mati atas, maka semua udara yang semula berada di sisi dingin sudah berpindah ke sisi panas. Selain memindahkan udara, juga menekan pegas. Karena pegas memiliki gaya balik, maka ketika

  displacer tertekan akan memberikan gaya dorong kepada displacer.

  yang mendapat gaya dorong dari pegas akan bergerak ke bawah

  Displacer

  (kompresi). Pergerakan displacer ini menyebabkan udara yang berada di sisi panas berpindah ke sisi dingin. Karena udara menjadi lebih dingin, maka tekanan menjadi turun dan membran akan menyusut. Proses ini akan terjadi terus menerus selama terdapat perbedaan temperatur antara sisi panas dan sisi dingin.

  3.3 Variabel yang Diukur

  Variabel-variabel yang diukur antara lain : 1. Suhu (T) Suhu pada sisi panas (T1) dan pada sisi dingin (T2).

2. Panjang langkah osilasi (h)

  Panjang langkah osilasi adalah jarak air yang diukur antara titik atas dangan titik bawah pada selang osilasi saat stirling mulai bergerak. h keadaan air awal keadaan air ketika osilasi

  Ilustrasi Pengukuran Panjang Osilasi

Gambar 3.4 3.

  Jumlah langkah (n) Satu langkah dihitung saat displacer mencapai titik atas (TMA) / titik

• – mati bawah (TMB) dan kembali lagi ke TMA/ TMB, misalnya (TMA TMB – TMA).

  TMB TMA

Gambar 3.5 Ilustrasi Penghitungan Jumlah Langkah

3.4 Variabel yang Divariasikan

  Variabel yang divariasikan dalam pengujian yaitu: 1. Ketinggian displacer.

  Variasi ketinggian displacer dari sisi panas adalah: 0 mm, 1 mm, 2 mm dan 4 mm. Ketinggian displacer dipengaruhi oleh pengaturan panjang pegas yaitu 310 mm, 330 mm, 332 mm, 333 mm dan 335 mm.

  Δy Δx

  Posisi displacer 0 mm Posisi displacer lebih 0 mm

Gambar 3.6 Ilustrasi Variasi ketinggian Displacer 2.

  Penambahan beban pada batang displacer.

  Variasi penambahan beban adalah: 0 gram dan 50 gram. tanpa beban dengan beban

  Gambar 3.7

  Ilustrasi Variasi Penambahan Beban

3.5 Metode dan Langkah Pengambilan Data

  Pengambilan data diperoleh melalui percobaan alat. Metode yang dipakai untuk mengumpulkan data yaitu dengan menggunakan metode langsung.Berikut adalah langkah langkah pengambilan data : A.

  Untuk variasi pertama, ketinggian displacer 0 mm dari sisi panas (panjang pegas 310 mm) dan beban pada displacer 0 gr:

  1. Pegas diturunkan, panjang pegas 310 mm 2.

  Penambahan beban pada displacer adalah 0 gr.

  3. Posisi ketinggian displacer dari sisi panas adalah 0 mm.

  4. Pemanas mulai dinyalakan.

  5. Suhu sisi panas, suhu sisi dingin, panjang langkah osilasi, jumlah langkah osilasi dicatat setiap 10 menit selama 60 menit. B.

  Untuk variasi kedua, ketinggian displacer 0 mm dari sisi panas (panjang pegas 330 mm) dan beban pada displacer 50 gr:

  3. Posisi ketinggian displacer dari sisi panas adalah 1 mm.

  3. Posisi ketinggian displacer dari sisi panas adalah 2 mm.

  2. Penambahan beban pada displacer adalah 50 gr.

  1. Pegas diturunkan, panjang pegas 333 mm.

  Untuk variasi keempat, ketinggian displacer 2 mm dari sisi panas (panjang pegas 333 mm) dan beban pada displacer 50 gr:

  D.

  5. Suhu sisi panas, suhu sisi dingin, panjang langkah osilasi, jumlah langkah osilasi dicatat setiap 10 menit selama 60 menit.

  4. Pemanas mulai dinyalakan.

  Penambahan beban pada displacer adalah 50 gr.

  1. Pegas diturunkan, panjang pegas 330 mm 2.

  1. Pegas diturunkan, panjang pegas 332 mm 2.

  Untuk variasi ketiga, ketinggian displacer 1 mm dari sisi panas (panjang pegas 332 mm) dan beban pada displacer 50 gr:

  C.

  5. Suhu sisi panas, suhu sisi dingin, panjang langkah osilasi, jumlah langkah osilasi dicatat setiap 10 menit selama 60 menit.

  4. Pemanas mulai dinyalakan.

  3. Posisi ketinggian displacer dari sisi panas adalah 0 mm.

  Penambahan beban pada displacer adalah 50 gr.

  4. Pemanas mulai dinyalakan.

  5. Suhu sisi panas, suhu sisi dingin, panjang langkah osilasi, jumlah langkah osilasi dicatat setiap 10 menit selama 60 menit.

  E.

  Untuk variasi kelima, ketinggian displacer 4 mm dari sisi panas (panjang pegas 335 mm) dan beban pada displacer 50 gr:

  1. Pegas diturunkan, panjang pegas 335 mm.

  2. Penambahan beban pada displacer adalah 50 gr.

  3. Posisi ketinggian displacer dari sisi panas adalah 4 mm (ditengah- tengah).

  4. Pemanas mulai dinyalakan.

  5. Suhu sisi panas, suhu sisi dingin, panjang langkah osilasi, jumlah langkah osilasi dicatat setiap 10 menit selama 60 menit.

  Berdasarkan variabel yang divariasikan, dapat dikelompokkan menjadi 2 kelompok variasi yaitu kelompok penambahan beban (variasi 1 dan variasi 2) dan kelompok posisi displacer (variasi 2, variasi 3, variasi 4 dan variasi 5)

3.6 Analisa Data

  Data yang diambil akan dipakai dalam perhitungan. Jumlah langkah osilasi (n) yang didapat dari percobaan digunakan untuk menghitung frekuensi osilasi (f).