KARAKTERISTIK PENGGERAK MULA TERMOAKUSTIK PISTON AIR DENGAN DIAMETER SELANG OSILASI 0,5 INCI

KARAKTERISTIK PENGGERAK MULA TERMOAKUSTIK

  JUDUL

Tugas Akhir

  Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

  Program Studi Teknik Mesin

  

Oleh :

Albertus Yustinus Novi Misgi Prabowo Adi

NIM : 095214077

  

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2011

  

CHARACTERISTIC OF WATER PISTON

THERMOACOUSTIC ENGINE

WITH 0,5 INCH HOSE OSCILLATION

Final Project

  Presented as fulfillments of the Riquirements To Obtain the Sarjana Teknik Degree in

  Mechanical Engineering Study Programme

  

By :

Albertus Yustinus Novi Misgi Prabowo Adi

Student Number : 095214077

  

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

  

TUGAS AKHIR

KARAKTERISTIK PENGGERAK MULA TERMOAKUSTIK

PISTON AIR DENGAN DIAMETER SELANG OSILASI 0,5 INCI

  Disusun oleh: Albertus Yustinus Novi Misgi Prabowo Adi

  NIM: 095214077 Telah disetujui oleh :

  Pembimbing 1

HALAMAN PERSETUJUAN

  

TUGAS AKHIR

KARAKTERISTIK PENGGERAK MULA TERMOAKUSTIK PISTON

AIR DENGAN DIAMETER SELANG OSILASI 0,5 INCI

  Dipersiapkan dan ditulis oleh: Albertus Yustinus Novi Misgi Prabowo Adi

  NIM: 095214077 Telah dipertahankan didepan panitia penguji pada tanggal 28 Februari 2011 dan dinyatakan memenuhi syarat

  Susunan Panitia Penguji: Nama lengkap Tanda tangan Ketua : Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T.

  ………………….

  Sekretaris : Doddy Purwadianto, S.T., M.T.

  ………………….

  Anggota : Ir. Franciscus Asisi Rusdi Sambada, M.T.

  ………………….

  Yogyakarta, 3 Maret 2011

  Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta Dekan

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

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

  Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam Tugas Akhir ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

  Yogyakarta, 3 Maret 2011 Penulis

  Albertus Yustinus Novi Misgi Prabowo Adi

  

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

  Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma : Nama : Albertus Yustinus Novi Misgi Prabowo Adi Nomor Mahasiswa : 095214077 Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul :

  

KARAKTERISTIK PENGGERAK MULA TERMOAKUSTIK PISTON

AIR DENGAN DIAMETER SELANG OSILASI 0,5 INCI

  beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, me- ngalihkan 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, 3 Maret 2011 Yang menyatakan (Albertus Yustinus Novi Misgi Prabowo Adi)

  

INTISARI

  Dunia mulai menyadari bahwa energi yang tidak terbarukan seperti minyak bumi mulai menipis dan pemakaianya telah membuat begitu banyak polusi. Telah dilaksanakan berbagai jenis usaha untuk menemukan alternatif sumber-sumber energi terbarukan yang memanfaatkan alam seperti angin, matahari, panas bumi, dan beragam alat yang memanfaatkan panas.

  Penelitian ini bertujuan membuat model alat untuk memanfaatkan sumber energi panas yakni Penggerak Mula Thermoakustik. Energi panas dapat berasal dari energi surya, panas bumi, dari bahan bakar biogas, atau panas buangan dari industri. Penggerak Mula Termoakustik mengkonversikan energi panas menjadi gerak mekanik. Gerak mekanik dapat dimanfaatkan sebagai contoh untuk pompa air. Penelitian ini juga bertujuan untuk mengetahui karakteristik yakni daya dan efisiensi yang dihasilkan.

  Alat ini terdiri dari bagian pendingin, regenerator dari steelwool dengan panjang 60mm, tabung pendingin dengan diameter tabung 25 mm dan panjang tabung 100 mm, dan bagian osilasi berupa selang transparan dengan diameter 0,5 inci. Gerak mekanik ini berupa gerak osilasi fluida zat cair dalam hal ini air yang berada di dalam selang yang sudah dibuat sedemikian rupa sehingga membentuk profil U. Osilasi adalah variasi periodik dalam hal ini terhadapdari suatu hasil pengukuran. Osilasi dapat terbentuk karena adanya perbedaan tekanan di dalam alat. Untuk mengetahui karakteristik dilakukan beberapa variasi. Bagian yang divariasikan adalah tabung resonator yaitu tabung resonator dengan volume tabung 13,5 ml dan 28,3 ml.

  Dari penelitian ini telah berhasil dibuat Penggerak Mula Termoakustik Piston Air dengan selang osilasi 0,5 inci dan juga Penggerak Mula Termoakustik Piston Pejal. Dalam penelitian Penggerak Mula Termoakustik Piston Air ini dihasilkan daya maksimal sebesar 0,14 watt dan efisiensi maksimal sebesar 0,16% yang didapat dari penggunaan resonator dengan diameter luar 20 mm dengan panjang 90 mm. Sedangkan untuk Penggerak Mula Termoakustik Piston Pejal dihasilkan rpm maksimal sebesar 128 rpm.

  Kata kunci : Termoakustik, Osilasi, Regenerator, Resonator.

KATA PENGANTAR

  Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmat dan karunia-Nya, sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan. Tugas akhir ini adalah sebagian persyaratan untuk mencapai derajat sarjana S-1 program studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.

  Tugas akhir ini mengambil judul “Karakteristik Penggerak Mula Termoakustik Pi ston Air Dengan Diameter Selang Osilasi 0,5 Inci”.

  Penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini karena adanya bantuan dan kerjasama beberapa pihak. Pada kesempatan ini perkenankan penulis mengucapkan terimakasih kepada : 1. Romo Andreas Sugijopranoto, S.J., selaku Direktur ATMI Surakarta.

  2. Romo Clay Pareira, S.J., selaku Pudir II ATMI Surakarta.

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

  4. Budi Sugiharto, S.T., M.T., Ketua Jurusan Teknik Mesin dan dosen Pembimbing Akademik.

  5. Ir. FA. Rusdi Sambada, M.T., Dosen Pembimbing Tugas Akhir.

  6. Segenap Dosen di Jurusan Teknik Mesin, yang telah membimbing penulis selama kuliah di Universitas Sanata Dharma.

  7. Kepala Laboratorium dan Laboran Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma.

  8. Bapak-bapak dan ibu-ibu bagian administrasi Fakultas Sains dan Teknologi Sanata Dharma yang telah banyak membantu proses perkuliahan dan juga Tugas Akhir ini.

  9. Semua rekan-rekan ATMI - Sanata Dharma angkatan pertama, terima kasih atas dukungan dan kerjasamanya.

  10. Orang tua, saudara, dan teman teman WBS yang telah turut mendukung pelaksaan perkuliahan dan juga Tugas Akhir ini.

  11. Regina Westrianita atas dorongan semangat dan kasih sayangnya.

  12. Serta semua pihak yang telah membantu atas terselesaikannya Tugas Akhir ini serta yang tidak mungkin disebutkan satu persatu.

  Penulis menyadari dalam pembahasan masalah ini masih jauh dari sempurna, maka penulis terbuka untuk menerima kritik dan saran yang membangun.

  Semoga naskah ini berguna bagi mahasiswa Teknik Mesin dan pembaca lainnya. Jika ada kesalahan dalam penulisan naskah ini penulis minta maaf yang sebesar-besarnya, terima kasih.

  Surakarta, 28 Februari 2011 Penulis

  Albertus Yustinus Novi Misgi Prabowo Adi

  

DAFTAR ISI

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Siklus termodinamika pada gas ................................................. 6Gambar 2.2 Siklus termoakustik.................................................................... 7Gambar 2.3 Resonator ................................................................................... 8Gambar 2.4 Material regenerator dari steelwool ........................................... 9Gambar 2.5 Material regenerator dari aluminium ......................................... 9Gambar 3.1. Mesin Termoakustik Piston Air .............................................. 12Gambar 3.2. Mesin Penggerak Termoakustik Piston Pejal dengan aplikasi

  

Gambar 3.3 Penampil Termokopel .............................................................. 17Gambar 3.4 Papan Ukur .............................................................................. 17Gambar 3.5 Stopwatch................................................................................. 18Gambar 3.6 Tabung Pendingin .................................................................... 19Gambar 3.7 Steel Woll ................................................................................ 19Gambar 3.8 Tabung Resonator .................................................................... 19Gambar 3.9 Selang Osilasi 0,5 inci ............................................................. 20Gambar 3.10 Pemanas berbahan bakar spirtus ............................................ 20Gambar 3.11 Stand Penggerak Mula Termoakustik Piston Air ................. 21Gambar 3.12 Pembentukan Selang Osilasi menjadi huruf .......................... 21Gambar 3.13 Tabung Resonator diameter 15,7 mm .................................... 22Gambar 3.14. Pemanas ................................................................................ 22Gambar 3.15. Penempatan Termokopel ...................................................... 22Gambar 4.1 Hubungan antara daya dan waktu pada penggerak mula termoakustik piston air menggunakan tabung resonator dengan

  

Gambar 4.2 Hubungan antara efisiensi dan waktu pada penggerak mula termoakustik piston air menggunakan tabung resonator dengan

  

Gambar 4.3 Hubungan antara daya dan waktu pada penggerak mula termoakustik piston air menggunakan tabung resonator dengan

  

Gambar 4.4 Hubungan antara efisiensi dan waktu pada penggerak mula termoakustik piston air menggunakan tabung resonator dengan

  

Gambar 4.5 Perbandingan antara daya dan waktu pada penggerak mula termoakustik piston air menggunakan tabung resonator dengan

  

Gambar 4.6 Perbandingan antara efisiensi dan waktu pada penggerak mula termoakustik piston air dengan menggunakan tabung resonator

  

Gambar 4.7 Hubungan antara waktu dan putaran flywheel pada penggerak mula termoakustik piston pejal dengan menggunakan

  

Gambar 4.8 Hubungan antara waktu dan putaran flywheel pada penggerak mula termoakustik piston pejal dengan menggunakan

  

Gambar 4.9 Hubungan antara waktu dan putaran flywheel pada penggerak mula termoakustik piston pejal dengan menggunakan

  

Gambar 4.10 Hubungan antara waktu dan putaran flywheel pada penggerak mula termoakustik piston pejal dengan menggunakan

  

Gambar 4.11 Hubungan antara waktu dan putaran flywheel pada penggerak mula termoakustik piston pejal dengan menggunakan

   menggunakan tabung resonator dengan diameter luar tabung 20 mm dan panjang tabung 120 mm. ............................................. 51

Gambar 4.12 Hubungan antara waktu dan putaran flywheel pada penggerak mula termoakustik piston pejal dengan menggunakan

  

Gambar 4.13 Perbandingan antara waktu dan putaran flywheel pada penggerak mula termoakustik piston pejal dengan menggunakan

  

Gambar 4.14 Perbandingan antara waktu dan putaran flywheel pada penggerak mula termoakustik piston pejal dengan menggunakan

  

  DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Tabel Hasil Pengujian Mesin Termoakustik diameter selang osilasi 0,5 mm, Tabung Pendingin bervolume 80 ml, regenerator

  

Tabel 4.2. Tabel Hasil Pengujian Mesin Termoakustik diameter selang osilasi 0,5 mm, Tabung Pendingin bervolume 80 ml, regenerator

  

Tabel 4.3 Tabel Hasil Pengujian Menggunakan regenerator Steel wool dengan panjang 70 mm ............................................................. 30Tabel 4.4 Tabel Hasil Pengujian Menggunakan regenerator Steel wool dengan panjang 50 mm ............................................................. 31Tabel 4.5 Tabel Hasil Pengujian Menggunakan regenerator Steel wool dengan panjang 30 mm ............................................................. 32Tabel 4.6 Tabel Hasil Pengujian Menggunakan regenerator Aluminium dengan panjang 70 mm ............................................................. 33Tabel 4.7 Tabel Hasil Pengujian Menggunakan regenerator Aluminium dengan panjang 50 mm ............................................................. 34Tabel 4.8 Tabel Hasil Pengujian Menggunakan regenerator Aluminium dengan panjang 30 mm ............................................................. 35Tabel 4.9 Tabel Daya spiritus rata rata ........................................................ 37Tabel 4.10 Tabel hasil perhitungan penggerak mula termoakustik piston air dengan menggunakan tabung resonator volume 13,5 ml dengan

  

Tabel 4.11 Tabel hasil perhitungan penggerak mula termoakustik piston air dengan menggunakan tabung resonator volume 28,3 ml dengan

  

DAFTAR NOTASI

  K) Δt

  )

  3

  : masa jenis air (kg/m

  air

  : efisiensi mesin (%) ρ

  : selisih waktu ( detik) η

  Cp : panas spesifik pada tekanan tetap (kJ/kg.°C) f : frekuensi (Hz) g : percepatan gravitasi (m/det

  2

  : selisih temperatur (

  ) W : daya (watt) Wo : daya keluaran (watt) Wi : daya masuk (watt) ΔT

  3

  ) V : volume perbedaan tinggi kolom air (m

  2

  ) h max : beda tinggi kolom air (m) h : posisi ketinggian awal air (m) m : masa (kg) P : tekanan hidrostatis (N/m

  o

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

  Beragam sumber energi alternatif yang dapat diperbarui telah menjadi topik umum pembicaraan para peneliti di bergagai belahan dunia. Angin, matahari, panas bumi, dan biomassa adalah beberapa sumber energi alternatif yang telah dicoba untuk dikembangkan sebagai pengganti bahan bakar fosil yang tidak dapat diperbarui. Hal ini dikarenakan manusia telah menyadari bahwa sumber energi fosil yang digunakan sekarang tidak bisa diperbarui dan diperkirakan akan habis dalam waktu dekat.

  Telah banyak alat yang dibuat untuk menemukan pembangkit energi dari sumbar daya terbarukan termasuk diantaranya Penggerak Mula Termoakustik. Alat ini dapat mengkonversikan energi panas menjadi gerak mekanik. Alat ini sering disebut sebagai lamina lag atau penggerak mula resonan. Alat ini tergantung pada fluktuasi tekanan yang cepat untuk proses operasi. Fenomena osilasi gelombang suara dimana di dalamnya terdapat aktifitas kompresi dan ekspansi terhadap partikel gas merupakan ide dasar dari teknologi ini.

  Pengamatan dari apa yang terjadi dalam percobaan menunjukkan temperatur gas juga mengalami osilasi. Ketika gas tersebut berinteraksi dengan batas-batas solid sekitarnya akan terjadi pula osilasi perpindahan kalor dari gas ke batas tersebut. Jadi apabila suara merambat melalui celah yang relatif sempit akan terjadi aliran panas atau kalor ke dan dari dinding-dinding celah tersebut. Peristiwa semacam ini disebut sebagai efek termoakustik. Osilasi temperatur ini tentu saja tidak terlalu berarti misalnya dalam kejadian gelombang suara dari manusia yang berbicara. Tetapi dengan menggunakan udara yang mendapatkan tekanan tinggi maka osilasi yang terjadi menunjukkan efek termoakustik yang signifikan.

  Dalam penelitian ini dibangun dua tipe rancangan sistem penggerak mula termoakustik, yaitu:

  1. Penggerak Mula Termoakustik Piston Air.

  Sistem inilah yang akan dilihat karakteristiknya yakni daya dan efisiensinya Sistem ini memakai fluida air sebagai piston.

  2. Penggerak Mula Termoakustik Piston Pejal.

  Sistem penggerak termoakustik piston pejal yang dirancang memakai material grafit sebagai piston. Sistem ini yang digunakan untuk referensi dalam melihat variasi panjang regenerator dan jenis bahan regenerator.

  1.1 Tujuan

  1. Membuat model Penggerak Mula Termoakustik Piston Air dengan selang osilasi 0,5 inci

  2. Membuat Penggerak Mula Termoakustik Piston Pejal.

  3. Mengetahui karakteristik yaitu daya dan efisiensi model Penggerak Mula Termoakustik Piston Air dengan selang osilasi 0,5 inci.

  1.2 Manfaat

  1. Menambah kepustakaan tentang penggerak mula termoakustik

  2. Dapat dikembangkan penelitian lanjut sehingga diharapkan dapat diterapkan di masyarakat.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Penelitian yang pernah dilakukan

  Penelitian tentang pompa air energi panas yaitu Pompa Air Energi Termal menggunakan Evaporator Plat 35 cc. Penelitian pada pompa air energi surya memperlihatkan bahwa waktu pengembunan uap dipengaruhi oleh temperatur dan debit air pendingin masuk kondensor (Sumathy, 1995).

  Penelitian pompa energi panas berbasis motor stirling dapat secara efektif memompa air dengan variasi head antara 2

  • – 5 m (Mahkamov, 2003). Penelitian pompa air energi panas surya memperlihatkan bahwa waktu pengembunan uap dipengaruhi oleh temperatur dan debit air pendingin masuk kondensor (Sumathy, 1995).

  Analisa termodinamika untuk memprediksi unjuk kerja pompa air energi panas surya pada beberapa ketingian head memperlihatkan bahwa jumlah siklus atau hari tergantung pada waktu pemanasan fluida kerja dan waktu yang diperlukan untuk pengembunan uap. Waktu pemanasan tergantung pada jumlah fluida awal dalam sistem waktu pengembunan tergantung pada luasan optimum koil pendingin (Wong, 2001).

  Penelitian lain yang pernah dilakukan seperti dalam Tugas Akhir “Karakteristik Kolektor Surya CPC Untuk Pompa Air Energi Termal Menggunakan Pompa Rendam” mampu menghasilkan efisiensi sensibel kolektor maksimum adalah 12.68 %, daya pemompaan maksimum adalah 0.0893 Watt, Efisiensi sistem maksimum sebesar 0.132 %, faktor efisiensi maksimum adalah 57.218 % (Yoanita, 2009).

  Pada penelitian “Pompa Air Energi Termal dengan Evaporator 39 CC dan Pemanas 266 Watt” mampu menghasilkan daya pompa (Wp) maksimum adalah 0.139 watt, efisiensi pompa (η pompa) maksimum 0.060 % pada variasi bukaan kran 30 ºC, dan debit (Q) maksimum 0.697 liter/menit pada variasi ketinggian head 1.75 m dan bukaan kran penuh atau 0 ºC dengan pendingin udara (Suhanto, 2009).

  Pada penelitian “Pompa Air Energi Termal dengan Evaporator 44 CC dan Pemanas 78 Watt” mampu menghasilkan daya pompa (Wp) maksimum adalah 0.167 watt, efisiensi pompa (ηpompa) maksimum 0.213 %, dan debit (Q) maksimum 0.584 liter/menit pada variasi ketinggian head 1.75 m dan bukaan kran 0 ºC dengan pendingin udara (Nugroho, 2009).

  Pada penelitian “Pompa Air Energi Termal dengan Evaporator 35 CC ” mampu menghasilkan daya pompa (Wp) maksimum adalah 0.053 watt, efisiensi pompa (ηpompa) maksimum 0.015 %, dan debit (Q) maksimum 0.179 liter/menit pada variasi ketinggian head 1.75 m dan bukaan kran 0 ºC dengan pendingin udara (Setiyawan, 2011).

  Sedangkan penelitian yang berkaitan langsung dengan Penggerak Mula Termoakustik mulai dilakukan oleh Lord Rayleigh yaitu saat pertama kali memberikan paparan tentang efek thermoaccoustik melalui tulisannya “The

  

Theory of Sound”, yang dipublikasikan pada tahun 1887. Dalam tulisannya,

  beliau mengungkapkan bahwa gelombang suara bisa menghasilkan perbedaan ini sempat terhenti dan baru berlanjut kira-kira 800 tahun kemudian pada saat Rott mulai mempublikasikan penelitian tentang termoakustik pada tahun 1969 (Fahey,2006).

  Kira-kira 20 tahun yang lalu, Ceperley menunjukkan kemungkinan untuk mengembangkan mesin kalor tanpa bagian yang bergerak. Beliau mendapati bahwa gas di dalam aliran gelombang suara yang melewati regenerator yang memiliki perbedaan panas mengalami siklus termodinamika mirip dengan siklus stirling. Beliau juga mengusulkan sebuah mesin stirling tanpa piston dengan menggunakan rambatan gelombang bunyi sebagaimana piston di mesin stirling konvensional.(Ueda, 2009)

2.2 Dasar Teori

  Prinsip kerja dari penggerak mula termoakustik yang diteliti sebenarnya adalah proses kebalikan dari apa yang pertama kali dikemukakan oleh Lord Rayleigh. Dimana input daya adalah panas kemudian diubah menjadi energi tekanan dan gelombang suara.

  Tekanan dan temperatur

  Kondisi normal Kondisi kompresi Kondisi gas ekspansi

Gambar 2.1 Siklus termodinamika pada gasGambar 2.1 menunjukkan apa yang terjadi pada sebuah partikel gas pada saat terjadinya siklus thermodinamik. Ketika ada stimulasi impuls getaran gas

  akan mengalami kompresi. Sebagai hasilnya temperatur dari partikel gas akan meningkat. Dan pada tahap yang berikutnya, ketika gas mengembang temperatur akan berkurang dengan seketika. Suatu partikel gas yang dimampatkan cenderung melepaskan panas ke lingkungan, sedangkan saat mengembang gas akan menyerap panas dari lingkungannya. Karakteristik ini penting untuk mesin termoakustik sebab dengan cara ini panas dapat pindahkan dari satu ruang ke ruang yang lain.

Gambar 2.2 Siklus termoakustik

  Dimulai pada saat tekanan minimum ( t=0) gas akan dimampatkan oleh gelombang suara. Pada saat perjalanan gelombang, perubahan dari gas adalah seperempat dari satu periode di belakang amplitudo tekanan. Dari sini gas mulai memampat (t=0) atau masih dalam posisi seimbang atau netral (Uo). Selama kompresi gas bergerak ke yang kiri (-U). Karena ada pemindahan kalor yang maksimal (isothermal propagation) kalor (Q1) dilepaskan ke regenerator (sebelah kiri posisi seimbang). Pada setengah siklus yang kedua terjadi proses yang kebalikan. Kemudian saat ekspansi gas bergerak ke kanan (+dU) dari posisi seimbang dan disitu gas akan menyerap panas (Q2) dari regenerator. Sebuah siklus yang lengkap dikendalikan oleh suatu gelombang berjalan (suara) akan dU), ini terjadi pada saat temperatur gas (T1) lebih tinggi daripada regenerator. Kemudian diikuti oleh ekspansi dan pengambilan panas dari regenerator (Q2) di sebelah kanan (+dU) pada saat temperatur gas yang rendah (T2) (ASTER, 2000- 2011).

  Resonator

  Pada kenyataannya proses termodinamika dikendalikan dengan rambatan gelombang. Untuk meminimalkan kerugian dan menghasilkan gelombang sekuat mungkin, diperlukan suatu resonator suara. Resonator ini dapat dibandingkan dengan suatu pipa organ.

Gambar 2.3 Resonator

  Frekuensi tergantung pada panjangnya, lebih panjang pipa resonator maka akan menurunkan frekwensi. Daya tergantung dari area melintang dari resonator. Sebagai tambahan, resonator berfungsi sebagai pemisah antara termoakustik di sebelah kiri dan pompa kalor di sebelah kanan.

  Suatu kolom gas ber gerak maju mundur di area sempit pada resonator (gambar diatas). Sebagai hasilnya, tekanan pada kedua ujungnya bervariasi dengan fungsi kebalikan, menciptakan kompresi dan ekspansi pada gas yang periodik. Fungsi dari resonator dapat dibandingkan dengan roda gila pada motor konvensional (ASTER, 2000-2011).

  Regenerator

  Selama terjadi siklus termodinamika regenerator akan menyerap kalor pada setengah siklus dan akan melepaskan panas ini pada setengah siklus yang lain. Syarat utama dari regenerator adalah materialnya bersifat konduktor panas. Kemampuan untuk menyerap dan melepas panas juga harus baik (konstan terhadap waktu saat mengalami perubahan suhu). Hal ini akan membuat efisiensi lebih maksimal jika waktu yang dibutuhkan regenerator untuk menyerap dan melepas panas lebih kecil daripada waktu siklus termodinamika. Dan juga regenerator ini tidak boleh menghambat aliran gas. Material yang sesuai kriteria diatas antara lain steelwool, metal gauze atau metal foam, dan aluminium.

Gambar 2.4 Material regenerator dari steelwoolGambar 2.5 Material regenerator dari aluminium

2.3 Rumus – rumus yang digunakan Perhitungan Tekanan (P)

  Tekanan (P) dihitung dengan Persamaan 2.1: P =

  ρ . g . h (2.1) dengan :

2 P )

  ∶ tekanan Hidrostatis ( / ρ ∶ massa jenis Air (kg/m³) g

  ∶ percepatan Gravitasi (m/det²) h ∶ beda tinggi kolom air (m)

  Perhitungan Daya (W)

  Daya (W) dihitung dengan Persamaan 2.2 : W = (2.2) . . dengan : = ( / ²) = ( ) = ( )

  Dengan analisis Dimensionalnya sebagai berikut: .

  2 .

  = = = =

  2

  2

  2

  2

  2 .

  .

  3

  3

  = =

  1

  1 =

  =

  2

  3

  1 .

  . . = . . =

  2

  3 .

  2

  1

  1 . . . = . = .

  . .

  3

  2

  2

  1 . = . = = = .

2 Dari rumus tersebut maka didapatkan tekanan dan daya dari mesin yang dibuat, dengan ini perancangan mesin dengan skala besar bisa dibuat lebih lanjut.

  Perhitungan Efisiensi

  Efisiensi ( ) dihitung dengan Persamaan 2.3

  (2.3)

= 100%

  − Perhitungan Daya Spiritus

  Perhitungan Daya Spiritus (W) dihitung dengan persamaan 2.4

  ∆

  (2.4) = . .

  ∆

  W = Daya spiritus (watt) m = massa air (kg) cp = kapasitas panas (kJ / kg °C )

  o

  C) ΔT = perbedaan temperatur ( Δt = perbedaan waktu (second) Persamaan (2.4) merupakan pendekatan untuk mencari daya rata

  • – rata dari spiritus. Dengan asumsi rugi
  • – rugi akibat hilangnya kalor ke lingkungan

BAB III METODE PENELITIAN Penelitian telah dilaksanakan di kampus ATMI Surakarta. Pengambilan data dilaksanakan pada 2-12 Februari 2011 di ATMI Surakarta.

3.1 Skema Alat Penelitian Penggerak Mula Termoakustik Piston Air

  3

  6

  2

  1

  4

  7

  5 Gambar 3.1. Mesin Termoakustik Piston Air Keterangan:

  1. Tabung Pendingin

  2. Regenerator

  3. Tabung Resonator

  4. Pipa Osilasi

  5. Air

  6. Papan Ukur

  7. Pemanas berbahan bakar spirtus

3.2 Prinsip kerja Penggerak Mula Termoakustik Piston Air

  Pada Penggerak Mula Termoakustik Piston Air, energi panas dari pemanas dikonversikan menjadi gerak mekanik yaitu gerak osilasi air di dalam selang osilasi. Seperti yang terlihat di dalam Gambar 3.1. Pemanas (No.7) diletakkan di bawah Tabung Resonator (No.3) Pemanas yang dinyalakan memanasi Tabung Resonator. Dengan bertambahnya waktu, udara di dalam tabung Resonator temperaturnya menjadi naik. Udara yang telah naik temperaturnya membuat tekanan udara menjadi naik. Tekanan udara menekan air di selang osilasi (No.4). Selain menekan air, Udara di dalam Tabung Resonator juga mengalir menuju Tabung Pendingin (No.1) melalui Regenerator (2). Karena Regenerator terbuat dari steel wool bahan yang mudah menyerap panas dan melepaskan panas maka udara yang melalui regenerator terserap panasnya dan menuju ke tabung pendingin dalam keadaan tidak terlalu tinggi temperaturnya. Ketika udara dari resonator telah berada di tabung Pendingin maka udara sekitar di luar tabung pendingin mendinginkan udara di dalam tabung pendingin.

  Udara yang dingin kemudian mengalir menuju bagian resonator dan melewati regenerator. Di regenerator, udara dingin dipanaskan oleh regenerator sehingga ketika mencapai resonator udara dari tabung pendingin tidak terlalu dingin. Sedangkan air yang berada di selang osilasi telah mencapai h max sehingga ada tekanan yang menekan udara.

  Hal ini akan berulang-ulang hingga sistem ini menjadi stabil karena perbedaan temperature sistem ini menjadi sama dan sistem akan berheti berosilasi.

3.3 Skema Alat Penelitian Penggerak Mula Termoakustik Piston Pejal

  5

  3

  4

  2

  6

  1

  7 Gambar 3.2. Mesin Penggerak Termoakustik Piston Pejal dengan aplikasi (sebagai referensi)

  Flywheel

  Keterangan :

  1. Pemanas berbahan bakar spirtus

  2. Regenerator

  3. Tabung Resonator

  4. Silinder

  5. Piston

  6. Flywheel

  7. Stand Metode yang digunakan dalam pembuatan Penggerak Mula Termoakustik Piston Air ini adalah:

  1. Studi lapangan Mencari data-data yang di perlukan dalam pembuatan Penggerak Mula Termoakustik Piston air dan Piston Pejal, sehingga dapat digunakan dengan baik dilapangan. Kami melakukan studi lapangan dengan melihat dan membandingkan alat-alat dari internet.

  2. Studi Literatur Mendalami teori dasar yang dipakai dalam penyusunan Tugas Akhir ini dari beberapa buku referensi yang kemudian disusun secara sistematis dan sejelas mungkin sebagai penunjang teori dasar dengan batasan masalah yang akan dibahas.

3.4 Variabel - Variable Yang Divariasikan

  Untuk mengetahui karakteristik Penggerak Mula Termoakustik Piston Air terdapat beberapa variabel penelitian. Adapun variabel penelitian yang dilakukan adalah variasi volume tabung resonator. Yaitu volume 13,5 ml dan volume 28,3 ml.

  Sedangkan dari percobaan dengan menggunakan Penggerak Mula Termoakustik Piston Pejal dengan aplikasi Flywheel, yang divariasikan adalah :

  1. Material Regenerator yakni dari 1) dari Steel Wool dan dari 2) tatal Alumunium

  2. Panjang Regenerator yaitu (1) 30 mm,(2) 50 mm, dan(3) 70 mm

3.5 Variabel-Variabel Yang Diukur Dan Cara Pengukuran

  Untuk percobaan dengan menggunakan Penggerak Mula Termoakustik Piston Air, variabel yang diukur adalah : a) Temperatur pada tabung pendingin.

  b) Temperatur pada regenerator.

  c) Temperatur pada tabung resonator.

  d) Panjang Osilasi fluida.

  e) Frekuensi Osilasi.

  Sedangkan untuk percobaan dengan menggunakan Mesin Penggerak Termoakustik Piston Pejal dengan aplikasi flywheel, variabel yang diukur adalah: a) Temperatur pada tabung pendingin.

  b) Temperatur pada regenerator.

  c) Temperatur pada tabung resonator.

  d) Temperatur pada silinder.

  e) Putaran dari flywheel.

  Cara pengukuran variabel tersebut adalah :

  a) Untuk pengukuran temperatur, cara pengukuran dengan menggunakan Termokopel.

Gambar 3.3 Penampil Termokopel

  b) Untuk pengukuran panjang osilasi pada fluida digunakan papan ukur yang dipasang pada stand.

Gambar 3.4 Papan Ukur c) Untuk mengukur frekuensi dan putaran rpm pada flywheel digunakan stopwatch .

Gambar 3.5 Stopwatch

3.6 Langkah – Langkah Penelitian Penggerak Mula Termoakustik Piston Air 1. Peralatan dan bahan disiapkan.

  Adapun alat dan bahan yang dibutuhkan adalah:

  a. Tabung Pendingin

Gambar 3.6 Tabung Pendingin

  b. Regenerator terbuat dari Steel Woll

Gambar 3.7 Steel Woll

  c. Tabung Resonator diameter 15,7 mm dan 20 mm

Gambar 3.8 Tabung Resonator

  d. Selang Osilasi (Selang Transparant diameter 0,5 inchi)

Gambar 3.9 Selang Osilasi 0,5 inci

  e. Air

  f. Papan ukur

  g. Pemanas berbahan bakar spirtus (bahan bakar spirtus)

Gambar 3.10 Pemanas berbahan bakar spirtus

  h. Plat pembuat Stand 2. Stand disiapkan.

  Plat yang telah disiapkan dirakit sehingga membentuk stand sesuai kebutuhan dalam penelitian.

Gambar 3.11 Stand Penggerak Mula Termoakustik Piston Air

  3. Penyiapan Regenerator Regenerator yang terbuat dari steel wool dimasukkan ke dalam tabung resonator

  4. Penyiapan rangkaian mesin Termoakustik.

  Bahan bahan yang sudah disiapkan mulai dirakit membentuk Rangkaian Termoakustik.

  5. Selang osilasi 0,5 inchi dirangkai sehingga membentuk huruf U dengan baik dan diatur ketinggian sesuai dengan kebutuhan.

  U

Gambar 3.12 Pembentukan Selang Osilasi menjadi huruf

  6. Air dimasukkan ke dalam selang osilasi sebagai piston air kedalam selang osilasi

  7. Tabung Resonator diameter 15,7 mm dipasangkan pada rangkaian

Gambar 3.13 Tabung Resonator diameter 15,7 mm 8. Pemanas berbahan bakar spirtus disiapkan.Gambar 3.14. Pemanas

  9. Ketinggian awal sebelum osilasi (h ) dicatat 10. Termokopel untuk penghitungan data temperatur disiapkan.

  11. Termokopel ditempatkan di tabung pendingin, regenerator, dan di resonator.

  12. Temperatur awal sebelum Mesin Termoakustik dipanasi dicatat terlebih dahulu.

  13. Stopwatch disiapkan untuk perhitungan waktu

  14. Proses pengambilan data dimulai dengan mulai menyalakan pemanas

  15. Perubahan temperatur di tabung pendingin, regenerator, resonator, dan udara ruangan dicatat setiap satu menit

  16. Perbedaan ketinggian selama osilasi dicatat dalam selang tiap satu menit 17. Waktu (detik) yang dipakai untuk berosilasi 10 kali dicatat.

  18. Setelah menit ke 30 pemanas dicatat dan ditunggu beberapa saat hingga tabung resonator turun temperaturnya menjadi 30 °C

  19. Tabung Resonator diameter 15,7 mm dilepas dan diganti dengan Tabung Resonator diameter 20 mm 20. Langkah 8 sampai langkah 18 diulangi lagi.

  21. Pemanas dan Penampil Termokople dimatikan.

  22. Alat-alat dilepas dan disimpan di tempat yang aman

  23. Data-data yang ada diolah menjadi tabel hasil dan grafik

  24. Pembuatan Grafik hubungan waktu dengan daya untuk tabung resonator volume 13,5 dan 28,3 ml.

  25. Pembuatan Grafik hubungan waktu dengan efisiensi untuk tabung resonator volume 13,5 dan 28,3 ml.

  26. Pembuatan Grafik perbandingan daya antara tabung resonator volume 13,5 dan 28,3 ml

  27. Pembuatan Grafik perbandingan efisiensi antara tabung resonator volume 13,5 dan 28,3 ml.

  Penggerak Mula Termoakustik Piston Pejal

  Untuk percobaan dengan menggunakan penggerak mula termoakustik piston pejal, langkah

  • – langkah yang dilakukan adalah : 1. Penyiapan peralatan dan bahan.

  a) tabung resonator

  b) regenerator

  c) pemanas berbahan bakar spirtus

  d) piston

  e) silinder

  f) flywheel

  g) stand

  h) o ring 2. Pembuatan stand.

  Rangkai material kayu dan plat aluminium yang telah disiapkan, serta penguat dari bahan nylon dan kaca mikha.

  3. Pemasangan chuke pada piston.

  4. Pemasangan piston pada stand yang telah disiapkan.

  5. Bahan regenerator yang terbuat dari bahan steel wool dimasukkan dalam tabung resonator dengan diameter luar tabung 20 mm dan panjang tabung 120 mm, dengan panjang regenerator 70 mm diukur dari ujung tabung

  6. Pemasangan Tabung Resonator yang sudah berisi regenerator ke piston yang sudah terpasang pada stand. Diantara ring penekan dan piston, dipasang o ring agar ruangan di dalam tabung resonator benar

  • – benar vacum .

  7. Pemasangan flywheel pada stand.

  8. Pemasangan piston dan shaft yang dihubungkan ke flywheel.

  9. Pemasangan pemanas spiritus pada stand, dengan jarak 10 mm dari regenerator, agar regenerator tidak ikut terbakar.

  10. Pencatatan data awal sebelum pemanas spiritus dinyalakan.

  11. Pembakaran dimulai dengan menyalakan api pada pemanas spiritus dan data mulai dicatat.

  12. Waktu yang diperlukan untuk 20 kali putaran flywheel dicatat.

  13. Pencatatan hasil percobaan dengan rentang waktu 2 menit hingga mencapai waktu yang telah ditentukan, yaitu 60 menit.

  14. Langkah 5 sampai 13 diulangi kembali dengan regenerator yang terbuat dari bahan steel wool dalam tabung resonator, dengan panjang regenerator 50 mm diukur dari ujung tabung, sehingga didapatkan data yang lain.

  15. Langkah 5 sampai 13 diulangi kembali dengan regenerator yang terbuat dari bahan steel wool dalam tabung resonator, dengan panjang regenerator 30 mm diukur dari ujung tabung, sehingga didapatkan data yang lain.

  16. Langkah 5 sampai 13 diulangi kembali dengan regenerator yang terbuat dari bahan aluminium dalam tabung resonator, dengan panjang regenerator 70 mm diukur dari ujung tabung, sehingga didapatkan data yang lain.

  17. Langkah 5 sampai 13 diulangi kembali dengan regenerator yang terbuat dari bahan aluminium dalam tabung resonator, dengan panjang regenerator 50 mm diukur dari ujung tabung, sehingga didapatkan data yang lain.

  18. Langkah 5 sampai 13 diulangi kembali dengan regenerator yang terbuat dari bahan aluminium dalam tabung resonator, dengan panjang regenerator 30 mm diukur dari ujung tabung, sehingga didapatkan data yang lain.

  19. Dari data yang diperoleh, dibuat grafik hubungan antara waktu dan kecepatan rpm yang terjadi dari beberapa variasi yang telah dilakukan, sehingga dari grafik tersebut bisa diketahui pada variasi manakah putaran rpm maksimal terjadi.

  Penelitian daya rata-rata spirtus.

  Untuk mengetahui daya rata-rata spirtus dilakukan penelitian sederhana. Langkah-langkah yang dilakukan adalaah:

  1. Persiapkan Alat dan bahan Alat-alat yang diperlukan

  a. Kaleng Air dengan diameter 110 mm dengan tinggi kaleng 25 mm.

  b. Pemanas berbahan bakar spirtus

  c. Stopwatch untuk pencatatan waktu

  d. Termokopel dan Penampil Termokpel untuk pencatatan suhu

  e. Air

  f. Stand penyangga kaleng

  2. Perangkaian alat alat

  3. Penempatan termokopel di tengah kaleng, tidak menyentuh dasar kaleng.

  4. Pencatatan kondisi awal t = 0 menit dan suhu awal air sebelum dipanaskan

  5. Pemanas dinyalakan

  6. Setiap satu menit, dicatat perubahan suhu yang terjadi

  7. Ketika mencapai suhu 50 °C pemanas dimatikan

  8. Pembuatan tabel data

  9. Perhitungan hasil dari penelitian dengan menggunakan Persamaan 2.4

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

  4.1 Tabel – tabel pengambilan data

  Data yang dapat diperoleh dari proses pengujian dua model Penggerak Mula Termoakustik Piston Air dan Piston Pejal:

Tabel 4.1 Tabel Hasil Pengujian Mesin Termoakustik diameter selang osilasi 0,5 mm, Tabung Pendingin bervolume 80 ml, regenerator Steel Wool dengan

  No Menit ke- panjang 60 mm dengan variasi tabung resonator volume 13,5 ml, h =10cm Suhu Tabung Pendingin (°C) Suhu Regenerator (°C) Suhu Tabung Reaks i (°C) Panjang Os ilas i (cm ) Frekuens i (Hz) Keterangan

  1 25 25 25 Belum Os ilas i 2 1 25 59 184 3 2 25 67 244 m ulai os ilas i 4 3 25 70 299 0,1 5 4 25 70 273 0,1

  6 5 25 67 280 0,2 7 6 25 66 305 0,2 8 7 25 67 300 15,0 3,33 9 8 25 70 284 16,5 3,33 10 9 25 72 270 15,0 3,33

  11 10 25 69 241 13,5 3,33 12 11 25 68 221 14,5 3,33 13 12 25 66 243 14,5 3,33 14 13 25 67 257 16,0 3,33 15 14 25 68 258 15,0 3,33

  16 15 25 68 253 15,0 3,33 17 16 25 67 256 14,5 3,33 18 17 25 67 258 15,0 3,33 19 18 25 67 259 15,0 3,33 20 19 25 69 253 14,5 3,33

  21 20 25 70 251 14,5 3,33 22 21 25 65 252 15,0 3,33 23 22 25 66 245 15,0 3,33 24 23 25 69 252 13,0 3,33 25 24 25 69 252 14,5 3,33

  26 25 25 69 252 15,0 3,33 27 26 25 71 261 14,0 3,33 28 27 25 70 262 14,5 3,33 29 28 25 73 261 15,0 3,33 30 29 25 72 258 14,0 3,33

  31 30 25 70 254 15,0 3,33 Pem anas dim atikan Tabel 4.2

  . Tabel Hasil Pengujian Mesin Termoakustik diameter selang osilasi 0,5 mm, Tabung Pendingin bervolume 80 ml, regenerator Steel Wool dengan panjang 70 mm dengan variasi tabung resonator volume 28,3 ml. h =11,2 cm

  18

  21

  22

  26 88 227 17,6 2,86

  20

  21

  26 86 224 17,0 2,86

  19

  20

  26 88 221 14,5 2,86

  19

  23

  26 86 221 15,0 2,86

  17

  18

  25 86 222 13,5 2,86

  16

  17

  26 85 227 12,5 2,86

  15

  16

  26 90 234 18,0 2,86

  22

  14

  26

  29

  30

  26 84 250 16,5 2,86

  28

  29

  26 86 248 15,0 2,86

  27

  28

  26 89 243 19,5 2,86

  27

  26 90 235 19,0 2,86

  26 89 244 19,5 2,86

  25

  26

  26 89 241 19,6 2,86

  24

  25

  26 90 235 19,0 2,86

  23

  24