UJI UNJUK KERJA MESIN STIRLING TIPE GAMMA DENGAN FLUIDA KERJA NANOFLUID BERBASIS ZnO

  perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

  UJI UNJUK KERJA MESIN STIRLING TIPE GAMMA DENGAN FLUIDA KERJA NANOFLUID BERBASIS ZnO SKRIPSI Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Disusun Oleh : OKY DWI HP I 1406014 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2012 commit to user perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

  

HALAMAN PENGESAHAN

UJI UNJUK KERJA MESIN STIRLING DENGAN FLUIDA KERJA

NANOFLUID BERBASIS ZnO

  Disusun oleh Oky Dwi Hanggara Putra

  I 1406014 Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II Dr. Tech. Suyitno, M.T. Wibawa Endra Juwana, S.T, M.T.

  NIP. 197409022001121002 NIP. 197009112000031001 Telah dipertahankan dihadapan Tim dosen penguji pada hari Senin tanggal 25 Juni 2012

  1. Tri Istanto, S.T, M.T NIP. 197308202000121001

  …………………………

  2. Zainal Arifin, S.T, M.T NIP. 197303082000031001

  …………………………

  3. Eko Prasetyo B., S.T, M.T NIP. 197109261999031002

  ………………………… Mengetahui,

  Ketua Jurusan Teknik Mesin Koordinator Tugas Akhir Didik Joko Susilo, S.T, M.T Wahyu Purwo Raharjo, S.T, M.T NIP. 197203131997021001 NIP. 197202292000121001 perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

  

PERSEMBAHAN

  Kepada mereka yang telah berjasa, kepada mereka pula saya persembahkan hasil jerih payah dan kerja keras saya selama menempuh jenjang S-1 ini yaitu sebuah skripsi yang akan menjadi karya terbesar dan kebanggaan saya sehingga saya lulus dari Universitas Sebelas Maret ini dengan gelar Sarjana Teknik. Mereka adalah 1.

  Segala puji bagi Allah SWT dan Muhammad SAW sebagai rosulNya.

  2. Keluarga besar Sudarmadji (Bapak : Sudarmadji, Ibu : Cahyani Widyastuti, karena berkat beliaulah penulis terlahir didunia ini) beserta saudara dari Bapak dan Ibu.

  3. Kakaku: Novianto Widyadarmasto beserta Istri, Arta Akhmalia dan Adikku: Elysa Hemas Putri, terimakasih dengan semua dorongan, doa dan semangatnya dan semoga kelak bisa membahagiakan ayah dan ibu kita kelak di dunia dan akhirat…Amien ya Robbalallamin...

  4. Semua ilmuwan dan praktisi pendidikan, terima kasih dengan semua ilmu pengetahuan dan teknologi yang telah dihasilkan.

  5. Semua orang yang dekat dan kenal dengan penulis (mereka yang pernah bersama memberi pengalaman yang berarti dalam kehidupan saya).

  

commit to user perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id commit to user

  MOTTO “Allah akan mengangkat (derajat) orang-orang yang beriman dintara kamu dan orang-orang yang diberi ilmu beberapa derajat dan Allah Maha Teliti yang kamu kerjakan’’

  (

QS. Al Mujadalah :11)

  „‟Bacalah dan Tuhanmulah yang Maha Mulia yang mengajar (manusia) dengan pena. Dia mengajarkan manusia apa yang tidak diketahui nya‟‟ (QS. Al. Alaq: 3-5)

  „‟Jangan menilai orang lain dari kesuksesan yang didapat tapi nilailah dari usaha yang dilakukannya‟‟ (

  

Bong Chandra)

„‟ Sebuah target dan cita-cita itu dibuat bukan untuk dicapai. Cita-cita itu dibuat untuk dimulai, maka segera mulailah, lalu perhatikan apa yang terjadi,‟‟

  (Mario Teguh) „‟Jangan pernah patah semangat karena perjuanganmu adalah keberhasilanmu‟‟

  (Oky Dwi HP) “Jangan pernah merasa tidak mampu sebelum kamu mencobanya”

  (Oky Dwi HP) perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

  Uji Unjuk Kerja Mesin Stirling Tipe Gamma dengan Fluida Kerja Nanofluid Berbasis ZnO

  Oky Dwi Hanggara Putra I 1406014

  Mahasiswa Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta

  Email :

  

ABSTRAK

  Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh fluida kerja terhadap unjuk kerja mesin Stirling. Mesin Stirling tipe gamma dipilih sebagai desain dalam penelitian ini dengan kontruksi satu piston displacer (silinder panas) dan satu

power piston (silinder dingin) serta pemanas listrik sebagai sumber panasnya.

Variasi fluida kerja mesin Stirling yang digunakan dalam penelitian ini adalah udara pada tekanan atmosfir, udara dengan penambahan ethanol, dan udara dengan penambahan fluida nano. Pada fluida kerja udara dengan penambahan

  

ethanol diatur sehingga fraksi ethanol dalam udara tersebut adalah 1% volume,

  5% volume dan 10% volume. Pada fluida kerja udara dengan penambahan campuran ethanol dengan partikel nano (nanofluid) dilakukan pada fraksi ethanol dalam udara yang menghasilkan efisiensi terbaik. Pada pengujian dengan fluida

• 3

  kerja berupa nanofluid dilakukan untuk variasi fraksi volume nano fluida 1x10 ,

• 3 -3

  2,5x10 dan 5x10 . Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa untuk fluida kerja udara dengan penambahan ethanol dapat diperoleh torsi, daya dan efisiensi yang maksimum masing-masing sebesar 0,3 N.m, 10,6 Watt dan 3,9% yaitu pada penambahan 5% volume ethanol. Torsi, daya dan efisiensi mesin Stirling dapat ditingkatkan lagi dengan menambahkan nano fluida pada fluida kerja udara. Hasil perolehan torsi, daya dan efisiensi untuk penambahan nano fluida pada

• 3 fraksi volume 5x10 sebesar 0,42 Nm, 17,9 watt dan 6,3%.

  Kata kunci : mesin Stirling, tipe gamma, ethanol, ZnO, nanofluid.

  

commit to user perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

  

Performance Test of Gamma-Type Stirling Engine with Working Fluid

of Nanofluid Based on ZnO

  Oky Dwi Hanggara Putra I 1406014

  Department Mechanical Engineering Faculty of Engineering Sebelas March University

  Surakarta, Indonesia Email :

  

ABSTRACT

  The purpose of this study is to determine the influence of working fluids on the performance of the Stirling engine. Gamma-type Stirling engine was chosen as the design in this study with the construction of a displacer piston (hot cylinder), a power piston (cold cylinder) and an electric heater as the heat source. Various working fluids of the Stirling engine used in this study were atmospheric air, air with the ethanol addition and air with mixtures of ethanol and nano particles. Ethanol was added into air so that the volume fractions were 1% volume, 5% volume and 10% volume. The experiments with nanofluids were conducted at the fraction of ethanol in the air resulting the best efficiency. Performance Test with

• 3

  working fluids of nanofluids were conducted at volume fractions of 1x10 , 2.5

• 3 -3

  x10 and 5x10 . The results show that the working fluid of air with the addition of 5 % volume ethanol can be obtained the maximum of torque, power and efficiency at 0.3 Nm, 10.6 W and 3.9%, respectively. The engine torque, power and efficiency can be further increased by adding nano fluid in the working fluid

• 3

  with the addition of 5% volume ethanol. By addition the nano fluids up to 5x10 can be obtained engine torque, power and efficiency of 0.42 Nm, 17.9 W and 6.3%, respectively. Key word : Stirling engine, gamma type, ethanol, ZnO, nanofluid

  

commit to user perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

KATA PENGANTAR

  Assalamu ’alaikum Wr.wb

  Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah Subhannahuwata’alla yang telah memberikan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir dengan judul “ Uji Unjuk Kerja Mesin Stirling dengan Fluida Kerja Nanofluid Berbasis Zno” ini dengan baik.

  Laporan ini disusun dan dilakukan sebagai salah satu syarat yang harus dipenuhi oleh setiap mahasiswa untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta. Dengan selesainya laporan ini, penulis ingin menyampaikan terimakasih kepada :

  1. Allah SWT atas rahmat dan hidayahnya kepada penulis.

  2. Bapak Didik Joko Susilo, S.T, M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta.

  3. Bapak Dr.techn. Suyitno, M.T., selaku pembimbing pertama atas bimbingannya hingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

  4. Bapak Wibawa Endra Juwana, S.T, M.T., selaku pembimbing kedua yang telah turut serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis.

  5. Bapak Tri Istanto, S.T, M.T., selaku pembimbing akademis yang telah berperan sebagai orang tua selama penulis melaksanakan studi di Universitas Sebelas Maret.

  6. Seluruh pengajar, staf administrasi, dan laboran di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut mendidik penulis hingga menyelesaikan studi S1.

  7. Kedua Orang tua tercinta, kakak, adik, om, tante dan ponakan-ponakan penulis yang telah memberikan doa dan dukungan kepada penulis dalam menempuh pendidikan di Universitas Sebelas Maret Surakarta.

  8. Ani Lestari, S.T yang selalu memberikan semangat dan doa kepada penulis dalam menyelesaikan pendidikan di Universitas Sebelas Maret Surakarta.

  9. Teman-teman di Laboratorium Biofuel (mas_Ter toharudin, S.T, mas aji, mas darmanto, bombi, khamdan, bandriyo, imam saputra, sutarmo, huda,

  

commit to user perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

  agus, S.T, pak bayu, S.T dan pak luqman, S.T) yang selalu solid dan harmonis.

  10. Teman-teman Tim Futsal D’Jump FC (Agung “Bagiyo”, Hery “Celeng”, Sukma, Agus “Kenthus”, Bagus “Koko”, Fais, Wisnu) yang semakin solid.

  11. Teman-teman 2006 NR semoga tetap “Satu Komando....!! 12.

  Teman-teman mahasiswa khususnya jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta.

  13. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah membantu pelaksanaan dan penyusunan skripsi.

  Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan Skripsi ini masih jauh dari sempurna, maka penulis mengharap kritik dan saran dari berbagai pihak untuk kesempurnaan skripsi ini. Akhir kata, semoga skripsi ini dapat berguna bagi ilmu pengetahuan dan kita semua.

  Surakarta, Juli 2012 Penulis

  

commit to user

  perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

  

DAFTAR ISI

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

commit to user

  perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

  

  

  

  

  perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Konfigurasi Alpha ............................................................................... 7Gambar 2.2 Konfigurasi beta .................................................................................. 7Gambar 2.3 Konfigurasi gamma ............................................................................. 8Gambar 2.4 Siklus Mesin Stirling ........................................................................... 8Gambar 3.5 Zinc Oxide ......................................................................................... 13Gambar 3.6 Timbangan Digital ............................................................................ 13Gambar 3.7 Gelas ukur 1cc-10cc .......................................................................... 14Gambar 3.8 Digital tachometer ............................................................................. 14Gambar 3.9 Torsi meter ........................................................................................ 14Gambar 3.10 voltage Regulator ............................................................................ 15Gambar 3.11 Ac clamp- on Ammeter ................................................................... 15Gambar 3.12 Unit kWh meter ............................................................................... 15Gambar 3.13 Relay ................................................................................................ 16Gambar 3.14 Thermoreader .................................................................................. 16Gambar 3.15 Thermocouple.................................................................................. 16Gambar 3.16 Stopwatch ........................................................................................ 17Gambar 3.17 Skema peralatan pengujian.............................................................. 19Gambar 3.18 Skema mesin Stirling tipe gamma ................................................... 19Gambar 3.19 Diagram Alir Penelitian .................................................................. 20Gambar 4.1. Torsi Mesin Stirling yang Dihasilkan dengan Penambahan Ethanol

  

Gambar 4.2. Daya Mesin Stirling yang Dihasilkan dengan Penambahan Ethanol

  

Gambar 4.3. Efisiensi Mesin Stirling yang Dihasilkan dengan Penambahan

  

Gambar 4.4. Torsi Mesin Stirling yang Dihasilkan dengan Penambahan Nanofluid

  

Gambar 4.5. Daya Mesin Stirling yang Dihasilkan dengan Penambahan Nanofluid

  

Gambar 4.6. Efisiensi Mesin Stirling yang Dihasilkan dengan Penambahan

  

  perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

  

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Sifat- sifat fluida kerja........................................................................... 24Tabel 4.2 Pengaruh Penambahan Nano Partikel ................................................... 24

  

commit to user perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

BAB I PENDAHULUAN

1.1.Latar Belakang

  Mesin Stirling merupakan mesin yang termasuk pada mesin pembakaran luar (external combustion engine). Mesin Stirling bekerja dengan memanfaatkan siklus tertutup regeneratif (closed-cycle regenerative machines). Kelebihan mesin Stirling yaitu dapat bekerja dengan sumber energi panas yang bervariasi misalnya: panas matahari, panas pembakaran dari limbah pertanian (sekam, tempurung kelapa), panas pembakaran dari kayu, panas pembakaran dari bahan bakar minyak, panas bumi, dan lainnya. Perbedaan yang mencolok dengan mesin pembakaran dalam adalah potensi untuk menggunakan sumber panas terbarukan pada mesin Stirling lebih mudah, suara mesin lebih lembut (tidak berisik), dan biaya perawatannya lebih rendah.

  Mesin Stirling tipe gamma dipilih sebagai desain dalam penelitian ini karena mempunyai keuntungan yaitu desain yang sederhana dan rendah gesekan. Penelitian yang sudah dilakukan oleh Shung Wen Kang, Meng Yuan Kuo, Jian You Chen dan Wen An Lu pada tahun 2010 tentang pembuatan mesin Stirling tipe gamma didapatkan efisiensi maksimum 2,57% pada 456 RPM dan 2,9% pada 412 RPM dengan menggunakan fluida kerja udara . Sementara itu analisis secara teori termodinamik dari mesin Stirling menunjukkan bahwa efisiensi thermal mesin ini sama dengan efisiensi siklus Carnot berkisar 30% - 40% . Penelitian lainnya menyebutkan bahwa penggunaan helium sebagai fluida kerja mampu meningkatkan daya keluaran mesin Stirling hampir dua kali dibandingkan dengan fluida kerja udara . Selain helium dan udara, fluida kerja yang umum digunakan ada mesin Stirling adalah hidrogen (H 2 ) dan sodium.

  Perkembangan dewasa ini dalam teknologi nano telah menciptakan suatu kelas fluida baru dan agak khusus, disebut nanofluid. Nanofluid muncul sebagai fluida yang memiliki potensi yang besar untuk berbagai aplikasi termasuk sebagai fluida pemindah panas. Istilah nanofluid berarti dua campuran fase, dimana fase

  

commit to user

  yang kontinu biasanya cairan dan fase yang terdispersi terdiri dari nano partikel perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

  padat yang sangat halus, berukuran lebih kecil daripada 100 nm. Dengan

  

nanofluid , sifat-sifat fluida dapat dirubah dan diprediksikan mempunyai pengaruh

positif pada kinerja mesin Stirling sehingga menarik untuk diteliti lebih lanjut.

  Dalam penelitian ini padatan berukuran nano yang dipakai adalah ZnO karena selain lebih murah dibanding nano partikel lainnya juga karena nano partikel ZnO telah berhasil diproduksi di Jurusan Teknik Mesin dan Teknik Kimia Universitas Sebelas Maret. Metode yang digunakan adalah FASP (flame assisted spray pyrolysis ).

  1.2.Perumusan Masalah

  Perumusan masalah dalam tugas akhir ini adalah: 1.

  Bagaimana unjuk kerja mesin Stirling tipe gamma? 2. Bagaimana pengaruh konsentrasi nano partikel ZnO terhadap unjuk kerja mesin Stirling?

  1.3.Batasan Masalah

  Dalam penelitian ini, permasalahan dibatasi pada: 1. Material yang dipakai pada mesin Stirling adalah:

   Silinder panas atau displacer menggunakan alumunium dan pada kepala silinder menggunakan stainlessteel.  Silinder dingin atau power piston menggunakan besi cor.  Piston displacer menggunakan aluminium.  Power piston menggunakan teflon dengan ukuran 3,95 mm.  Poros engkol mengadopsi dari mesin gergaji.  Roda gila/flywheel menggunakan bahan besi cor.

  2. Volume silinder displacer 104,6 cm³ dan volume silinder power 49,3 cm³ 3.

  Sudut crankshaft 90º.

  4. Sumber panas berasal dari listrik (pemanas listrik).

  5. Dinding luar silinder panas dijaga konstan 450°C.

  6. Fluida kerja yang digunakan adalah: a.

  100% udara perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

  c.

  5% volume ethanol d.

  10% volume ethanol e. udara + ZnO f. Prosentase volume ethanol yang menghasilkan efisiensi terbaik +

• 3 ZnO (fraksi volume = 1 x 10 ).

  g.

  Prosentase volume ethanol yang menghasilkan efisiensi terbaik +

• 3

  ZnO (fraksi volume = 2,5 x 10 ) h. Prosentase volume ethanol yang menghasilkan efisiensi terbaik +

• 3

  ZnO (fraksi volume = 5 x 10 )

1.4.Tujuan dan Manfaat Penelitian

  Tujuan dari tugas akhir ini adalah: 1.

  Menghasilkan prototipe mesin Stirling tipe gamma.

  2. Mengetahui pengaruh penambahan ethanol terhadap unjuk kerja mesin Stirling.

  3. Mengetahui pengaruh nanofluid ZnO terhadap unjuk kerja mesin Stirling.

  4. Menghasilkan variasi terbaik penambahan nanofluid ZnO terhadap unjuk kerja mesin Stirling. Manfaat dari tugas akhir ini adalah: 1.

  Diperolehnya prototipe mesin Stirling tipe gamma.

2. Diperolehnya data-data ilmiah tentang pengaruh nanofluid ZnO terhadap unjuk kerja mesin Stirling.

  commit to user perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id commit to user

1.5.Sistematika Penulisan

  Sistematika penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut:

  Bab I : Pendahuluan, menjelaskan tentang latar belakang masalah, tujuan dan manfaat penelitian, perumusan masalah dan batasan masalah serta sistematika penulisan

  Bab II : Dasar teori, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan sejarah perkembangan mesin Stirling dan teori tentang mesin Stirling tipe gamma.

  Bab III : Metodologi penelitian, menjelaskan peralatan yang digunakan, tempat dan pelaksanaan penelitian, langkah-langkah percobaan dan pengambilan data.

  Bab IV : Data dan analisa, menjelaskan data hasil pengujian, perhitungan data hasil pengujian serta analisa hasil dari perhitungan.

  Bab V : Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran. perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

BAB II DASAR TEORI

2.1.Tinjauan Pustaka

  Can Cinar dan Halit Karabulut pada tahun 2005, melakukan manufaktur dan pengujian mesin Stirling tipe gama volume 276 cc. Fluida kerja yang digunakan yaitu udara dan helium dengan memakai sumber panas dari pemanas listrik dengan rentang suhu berkisar 700-1000°C dan tekanan 1-4 bar. Diperoleh hasil torsi dan tekanan pada suhu maksimum 1000°C sebesar 2 Nm dan 4 bar .

  Bancha Kongtragool, Somchai Wongwises tahun 2007 melakukan penelitian tentang performance mesin Stirling tipe Gamma LTD (low temperature

  

differential ). Fluida kerja yang digunakan adalah udara 1 atmosfer dengan

  kontruksi dua power piston dan empat power piston dengan pemanas menggunakan burner. Dihasilkan untuk dua power piston dengan pemanasan 2.355 J/s (589 K) mendapatkan torsi 1,222 Nm pada 67,7 RPM dan power output

  

maximum 11,8 W pada 133 RPM serta brake thermal efficiency sebesar 0,494%

  pada 133 RPM. Untuk empat power piston dengan actual heat input 4.041 J/s dengan temperatur heater 771 K menghasilkan torsi maksimum 10,55 Nm pada 28,5 RPM, power output 32,7 W pada 42,1 RPM dan brake thermal efficiency 0,809% pada 42,1 RPM.

  Xiang-Qi Wang dan Arun S. Mujumdar pada tahun 2007 melakukan penelitian tentang karakteristik perpindahan panas dari nanofluid. Dihasilkan bahwa nanofluid dapat merubah atau meningkatkan sifat perpindahan panas fluida yang tersuspensi dengan nanofluid rata-rata sampai dengan 20% .

  Kang, Kuo pada tahun 2010 telah melakukan pembuatan dan pengujian mesin Stirling tipe gamma dengan desain piston power tunggal dan ganda dengan fluida kerja udara 1 atm dengan variasi daya untuk sumber panas 156,3 W, 187,6 W dan 223,2 W. Hasilnya menunjukkan bahwa brake thermal efficiency mesin stirling sebesar 2,57% pada 456 RPM dan 2,9% pada 412 RPM

  

commit to user . perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

  Moosavi, Goharshadi dkk pada tahun 2010 telah melakukan produksi, karakterisasi dan pengukuran dari beberapa sifat fisik dan kimia ZnO nanofluid.

  

Konduktifitas termal dari ZnO nanofluid telah diukur sebagai fungsi dari fraksi

volume dan temperatur. Konduktivitas termal dari ZnO/EG dan ZnO/G nanofluid

masing-masingnya mengalami peningkatan hingga 10,5% dan 7,2% pada saat

fraksi volume dari nano partikel ditingkatkan sampai 3 % volume

.

2.2.Mesin Stirling Mesin Stirling adalah mesin kalor yang mengambil kalor dari luar silinder.

  Sumber kalor apapun, selama temperaturnya cukup tinggi, akan bisa menggerakkan mesin Stirling ini. Banyak teori yang bisa dijadikan dasar untuk analisis termodinamik mengenai mesin Stirling. Salah satunya dikemukakan oleh Schmidt (1871), yang kemudian dikenal dengan nama Schmidt theory. Dalam perkembangannya, mesin Stirling dapat digunakan sebagai pembangkit listrik yang menggunakan sumber energi terbarukan, seperti energi matahari .

  Ada tiga macam konfigurasi mesin Stirling yang biasa digunakan akan tetapi perbedaan konfigurasi tersebut tidak berpengaruh terhadap siklus termodinamika. Konfigurasi tersebut antara lain: a.

  Konfigurasi alpha, konfigurasi tersebut menggunakan dua piston pada tiap sisi pemanas, regenarator, dan pendingin. Pertama-tama piston secara seragam memiliki persamaan arah untuk menghasilkan proses volume konstan untuk mendinginkan dan memanaskan gas. Kerja kompresi terjadi pada piston dingin (cold piston) dan ekspansi terjadi pada piston panas (hot piston). Konfigurasi alpha tidak memerlukan displacer.

  

commit to user perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

Gambar 2.1 Konfigurasi Alpha (Hirata, K., 2010) b.

  Konfigurasi beta, merupakan rancangan penggabungan piston displacer dan daya dalam silinder yang sama . Displacer membolak-balikkan gas antara ujung panas dan ujung dingin silinder melewati pemanas, regenerator, dan pendingin. Power piston biasanya diletakkan pada ujung dingin silinder, menekan (kompresi) gas kerja ketika gas berada pada ujung dingin dan mengekspansikan gas kerja ketika gas bergerak ke dalam piston panas.

Gambar 2.2 Konfigurasi beta (Hirata, K., 2010) c.

  Konfigurasi gamma, konfigurasi tersebut menggunakan silinder terpisah antara displacer dan power piston. Displacer membolak-balikkan gas antara ujung panas dan ujung dingin silinder melewati pemanas, regenerator, dan pendingin. Power piston pada silinder terpisah dan secara pneumatik dihubungkan pada silinder displacer.

  

commit to user perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

Gambar 2.3 Konfigurasi gamma (Hirata, K., 2010) 2.2.1.

   Siklus Stirling

Gambar 2.4 Siklus Mesin Stirling

  Siklus mesin Stirling terdiri atas dua proses isotermal dan dua proses volume konstan. Gambar 2.4 merupakan diagram siklus p-v dan T-s .

  1 dari v 1 ke v 2 .

• Proses 1-2 : Ekspansi isotermal, pada temperatur konstan T

  Dalam proses tersebut terjadi penyerapan kalor dari sumber eksternal.

  Kalor yang diberikan = kerja selama proses isotermal. _{1 2 1 1 1}

  ln v v

  Q v p 

  1 ^{2 1 ln} v v mRT

  

  (2.1) perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

   mRT ln r ₁ Dimana r adalah rasio kompresi = v 2 /v

  1

   Proses 2-3 : Udara melewati regenerator dan didinginkan pada volume

• konstan ke temperatur T

  3 . Pada proses ini terjadi pelepasan kalor ke regenerator.

  Kalor yang dilepas ke regenerator (Q ):

  

reg-in

Q  m . c .( T  T )

   reg in v

  3

  2

  ( 2.2)

• v ke v . Dalam proses tersebut kalor dilepaskan oleh udara. Kalor yang

  Proses 3-4 : Merupakan proses kompresi isotermal dalam silinder mesin dari

  3

  4

  dilepaskan oleh udara (Q ) :

  2 v ₃

   Q p v ln _{2 3 3} v ₄ v ₃

  (2.3)

   mRT ln ₃ v ₄

   mRT ln r ₃ Dimana r adalah rasio kompresi = v 3 /v 4

• temperatur T dengan melewatkan udara ke regenerator dalam arah

  Proses 4-1 : Merupakan proses pemanasan udara pada temperatur konstan ke

  1

  berlawanan dengan proses 2-3. Pada proses ini terjadi penyerapan kalor oleh udara dari regenerator. Kalor yang diserap udara (Q )

  reg-out  

  Q m . c .( T T )

  (2.4)

   reg out v

  1

4 Karena T =T maka,

  3

  4  

  Q m . c .( T T )  reg out v

  1

  3

  (2.5)

  

commit to user perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

2.2.2. Efisiensi mesin Stirling

  Dalam mesin Stirling pun berlaku hubungan bahwa kerja yang dilakukan = kalor yang disuplai - kalor yang dilepaskan, sehingga efisiensi mesin Stirling ( )

   _st

  dapat dinyatakan dengan:  Kerja yang dilakukan = kalor yang disuplai – kalor yang dibuang = mRT

  1 lnr 3 lnr

• – mRT

  (2.6) = mRlnr(T -T )

  1

  3 mR r T T

  Kerja yang dilakukan ln (  )

  1

  3

   

   st

mRT r

  Kalor yang disuplai ln

  

1

  (2.7)

   T T T _{1 3 3}

    

1 T T

  _{1 1}

  Persamaan (2.1) s.d. (2.7) dalam penelitian ini digunakan untuk proses perancangan mesin Stirling.

2.3.Nanofluid

  Teknologi nano telah menciptakan suatu kelas fluida baru dan agak khusus, disebut nanofluid. Nanofluid adalah larutan yang mengandung partikel solid yang berukuran nano dan diharapkan memiliki kinerja yang lebih baik daripada fluida pemindah kalor yang ada sekarang. Hasil eksperimen menunjukkan indikasi peningkatan konduktivitas thermal dibandingkan dengan fluida tanpa partikel nano atau fluida dengan partikel yang lebih besar. Adapun rumus untuk menghitung viskositas, densitas, kapasitas panas dan konduktifitas panas dari nanofluid sebagai berikut.

• µ = f

  Viskositas

  (2.8)

  nf (1+ 2,5 φ)µ

  Dimana:

  2 µ = Viskositas nanofluid (kg.s/m ) nf

  = Fraksi volume

  φ

commit to user perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

• = + (1-

  Densitas

  (2.9)

  ρ nf s f

  φρ φ) ρ Dimana:

  

3

nf = Densitas nanofluid (kg/m ) ρ

  = Fraksi volume φ

  3

  = Massa jenis padatan (kg/m )

  ρ s

  

3

  = Massa jenis cairan (kg/m )

  ρ f

• p )

  Kapasitas panas (C

  φ φ

  C = (2.10)

  Pnf

  Dimana: C Pnf = Kapasitas panas (J/g.K) C Ps = Kapasitas panas padatan (J/g.K) C Pf = Kapasitas panas cairan (J/g.K)

  = Fraksi volume φ

  3 s = Massa jenis padatan (kg/m )

  ρ

  

3

  = Massa jenis cairan (kg/m )

  ρ f

  3 nf = Massa jenis nanofluid (kg/m ) ρ

• Konduktivitas panas

  K = (2.11)

  nf [ ]

  Dimana: K nf = Konduktivitas panas nanofluid (W/mK) k = Konduktivitas panas padatan W/mK

  s

  k f = Konduktivitas panas cairan (W/m.K) k = Konduktivitas udara (W/m.K)

  w

  = Fraksi volume φ

2.4.Daya Poros

  Daya poros didefinisikan sebagai momen putar dikalikan dengan kecepatan putar poros engkol. Daya poros diketahui dari pengukuran torsi meter

  

commit to user perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

  digunakan untuk mengukur momen putar dan tachometer untuk mengukur putaran poros engkol. Rumus untuk menghitung daya poros adalah sebagai berikut P =

  (2.12) Dimana: P = Daya poros (Watt) N = Putaran poros engkol (RPM) T = Torsi (Nm)

2.5.Efisiensi thermal

  Efisiensi thermal menyatakan perbandingan antara daya yang dihasilkan terhadap jumlah panas yang diperlukan untuk jangka waktu tertentu. Rumus untuk menghitung efisiensi thermal adalah sebagai berikut:

  = (2.13)

  Dimana : = Efisiensi thermal

  ɳ P = Daya poros (Watt) q in = Panas yang dibutuhkan (Watt) Pada mesin Stirling, panas yang masuk ke dalam sistem adalah maka untuk mengukur energi yang masuk kedalam sistem menggunakan alat pengukur penggunaan energi (kwh meter), jadi q dapat dirumuskan:

  in

  q in = (2.14) dimana q in = panas yang dibutuhkan (Watt) E in = energi yang diukur dari kwh meter (kwh) t = waktu (s)

  

commit to user perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

BAB III METODE PENELITIAN

  3.1.Tempat Penelitian

  Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Konversi Energi Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta.

  3.2.Alat dan Bahan Penelitian

  Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian uji unjuk kerja mesin Stirling tipe gamma dengan fluida kerja nanofluid berbasis ZnO ini antara lain:

  1. Prototipe mesin Stirling tipe gamma

  Mesin yang digunakan untuk pengujian unjuk kerja dengan fluida kerja nanofluid berbasis ZnO.

  2. Zinc oxide Bahan solid partikel untuk variasi pengujian mesin Stirling.

Gambar 3.5 Zinc Oxide (Suhendra, B., dkk., 2011) 3.

   Ethanol (alkohol) Sebagai bahan pencampur nanofluid berbasis ZnO.

  4. Timbangan digital

  Alat untuk menimbang ZnO, dengan spesifikasi kapasitas maksimal pengukuran berat 51 gram, resolusi pengukuran berat 0,005 gram.

Gambar 3.6 Timbangan Digital perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

5. Gelas ukur Alat untuk mengukur volume ethanol.

Gambar 3.7 Gelas ukur 1cc-10cc 6.

   Digital Tachometer

  Alat untuk mengukur putaran mesin Stirling. Batas pengukuran 60- 50.000 RPM, 1-833 RPS. Jarak pembacaan 10-150 mm.

Gambar 3.8 Digital tachometer 7.

   Torsimeter

  Alat untuk mengukur torsi mesin Stirling. Spesifikasi pengukuran maks. 15 kg-cm dengan akurasi ± (1,5% + 5 d), resolusi maks. 0,01 kg-cm/0,1 N-cm, resolusi min. 0,1 kg-cm/1 N-cm dan sensor menggunakan exclusive torque sensor.

Gambar 3.9 Torsi meter

  commit to user perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

8. Regulator

  Alat untuk mengatur besar kecilnya keluaran tegangan dan arus yang masuk dari tegangan listrik PLN (220 V) sehingga dapat diatur menurut kebutuhan. Regulator ini digunakan untuk mengatur tegangan dan arus pada pemanas listrik mesin Stirling. (Spesifikasi 2 kVA maksimum 8 ampere.).

Gambar 3.10 voltage Regulator 9.

   Ac clamp- on Ammeter

  Alat untuk mengukur arus yang mengalir pada pemanas listrik pada mesin Stirling. Maksimum pengukuran 400 ampere.

Gambar 3.11 Ac clamp- on Ammeter 10.

   Unit kWh meter

  Alat untuk mengukur besarnya energi yang diperlukan pada pemanas listrik mesin Stirling (Qin). Menggunakan spesifikasi kWh meter 450 Watt.

  commit to user perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

11. Relay

  Alat yang digunakan untuk memutus dan menghubungkan arus yang mengalir ke pemanas listrik saat temperatur dinding silinder panas tercapai (450ºC). Spesifikasi relay kontak 5 ampere.

Gambar 3.13 Relay 12.

   Thermoreader

  Alat yang digunakan untuk menunjukkan atau membaca temperatur yang diukur oleh sensor thermocouple pada dinding luar silinder panas mesin Stirling.

Gambar 3.14 Thermoreader 13.

   Thermocouple

  Alat atau sensor suhu yang ditempatkan pada dinding luar silinder panas mesin Stirling. Termokopel yang digunakan tipe-K.

Gambar 3.15 Thermocouple

  commit to user perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

14.

   Stopwatch Alat untuk mengukur waktu (t) saat mesin Stirling berputar.

Gambar 3.16 Stopwatch 15.

   Oli

  Cairan yang berfungsi sebagai pelumas bagian mesin Stirling yang bergesekan.

16. Obeng 17. Cutter 18. Gunting 19. Vaslin 20. Alat tulis

3.3.Prosedur Penelitian

  Prosedur yang dilakukan pada penelitian ini antara lain : 1.

  Mempersiapkan variasi nanofluid: o Menimbang partikel padat (ZnO) dengan timbangan digital. o Mengukur volume bahan pencampur (ethanol 96%) dengan gelas ukur.

  2. Melakukan pelumasan pada bagian atau komponen mesin Stirling dengan oli.

  3. Memastikan tidak ada kebocoran pada bagian mesin Stirling.

  4. Mengecek rangkaian pemanas dari regulator, kwh meter dan relay.

  5. Menyiapkan variasi fluida kerja pada pengujian mesin Stirling antara lain: a.

  100% udara b.

  1% volume ethanol c. 5% volume ethanol d.

  10% volume ethanol e. udara + ZnO perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

  f. volume ethanol yang menghasilkan efisiensi terbaik + ZnO (fraksi Prosentase

• 3 volume = 1 x 10 ).

  g.

  Prosentase volume ethanol yang menghasilkan efisiensi terbaik + ZnO (fraksi

• 3

  volume = 2,5 x 10 ) h. Prosentase volume ethanol yang menghasilkan efisiensi terbaik + ZnO (fraksi

• 3

  volume = 5 x 10 ) 6. Melakukan pengujian tiap variasi dengan memasukkan ke dalam silinder displacer .

  7. Memastikan rangkaian pemanas terhubung dengan listrik PLN dan

  

thermocouple terpasang pada dinding luar silinder diplacer dan selanjutya

memutar saklar regulator.

  8. Setelah suhu tercapai pada temperatur 450°C, berikan awalan putaran pada fly wheel supaya mesin Stirling berputar secara kontinyu.

  9. Melakukan pengukuran putaran mesin, torsi mesin dan putaran pada kWh meter selama ± 10 menit.

  10. Mencatat hasil pengukuran putaran mesin dengan tachometer, torsi mesin dengan torsi meter dan pengukuran putaran kWh meter secara visual.

  11. Melakukan perhitungan sesuai data yang diperoleh.

  12. Melakukan prosedur pengujian variasi berikutnya dengan urutan langkah pengujian no.2.

  commit to user perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

3.4.Skema Peralatan

  Keterangan: 1.

  Unit mesin Stirling tipe gamma 2. Regulator 3. Unit kwh meter 4.

  Tang ampere 5. Thermoreader + thermocouple 6. Stopwatch

Gambar 3.17 Skema peralatan pengujianGambar 3.18 Skema mesin Stirling tipe gamma

  2

  1

  5

  3

  4

  6 perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

3.5.Diagram Alir Penelitian

  perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1.Pengaruh Penambahan Ethanol Tehadap Efisiensi Mesin Stirling

  Pada masing-masingnya menunjukkan hubungan antara torsi dan daya yang dihasilkan oleh mesin Stirling dengan penambahan fluida kerja ethanol. Torsi mesin mengalami kenaikan dengan penambahan ethanol 0% volume sampai 5% volume. Perolehan torsi pada ethanol 0% volume sebesar 0,19 N.m, pada ethanol 1% volume diperoleh torsi sebesar 0,28 N.m, pada penambahan ethanol 5% volume torsi mesin diperoleh sebesar 0,30 Nm dan pada penambahan ethanol 10% volume diperoleh torsi sebesar 0,28 Nm. Pada hubungan torsi dengan penambahan ethanol 0% volume sampai dengan 10% volume diperoleh torsi terbesar pada penambahan ethanol 5% volume sebesar 0,30 Nm. Pada penambahan ethanol 10% volume terjadi penurunan torsi menjadi 0,28 Nm.

  0,35 0,30 0,25

  .m) 0,20 (N si

  0,15 Tor

  0,10 0,05 0,00 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12%

  %vol Ethanol

Gambar 4.1. Torsi Mesin Stirling yang Dihasilkan dengan Penambahan %

  volume Ethanol

  

commit to user perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

Gambar 4.2 menunjukkan bahwa daya mesin Stirling yang diperoleh semakin meningkat dengan penambahan fluida kerja ethanol 0% volume sampai

  dengan ethanol 5% volume. Perolehan daya pada ethanol 0% volume sebesar 4,8 Watt, pada ethanol 1% volume diperoleh daya sebesar 7,6 Watt, pada penambahan ethanol 5% volume diperoleh daya sebesar 10,6 Watt dan pada penambahan ethanol 10% volume sebesar 8,5 watt. Dari perolehan besar daya dapat dinyatakan bahwa dengan semakin besar penambahan ethanol sampai dengan 5% volume diperoleh daya yang lebih tinggi dan kemudian menurun seiring dengan bertambahnya ethanol lebih dari 5% volume.

  14,0 12,0 10,0 att) (W

  8,0 t u tp

  6,0 ou a ay

  4,0 D

  2,0 0,0 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12%

  %vol Ethanol

Gambar 4.2. Daya Mesin Stirling yang Dihasilkan dengan Penambahan %

  Volume Ethanol Hubungan antara efisiensi dengan penambahan ethanol 0% volume sampai

  10% volume yang dihasilkan oleh mesin Stirling seperti padaterlihat bahwa efisiensi mesin Stirling mengalami peningkatan seiring dengan penambahan ethanol 0% volume sampai dengan 5% volume. Dari dapat dilihat bahwa efisiensi mesin Stirling pada penambahan ethanol 0% volume sebesar 1,8%, ethanol 1% volume sebesar 2,8%, sedangkan penambahan ethanol 5% volume dan 10% volume masing-masing diperoleh efisiensi sebesar 3,9% dan 3,0%.

  

commit to user perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

  5,0 4,0 )

  3,0 (% si n e si

  2,0 fi E

  1,0 0,0 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12%

  %vol Ethanol

Gambar 4.3. Efisiensi Mesin Stirling yang Dihasilkan dengan Penambahan % Volume Ethanol.

  Torsi, daya, dan efisiensi yang dihasilkan dari mesin Stirling mengalami peningkatan seiring dengan penambahan ethanol sampai 5% volume dan kemudian mengalami penurunan untuk penambahan ethanol lebih dari 5% volume. Hal ini disebabkan karena dengan penambahan ethanol dapat meningkatkan perpindahan kalor ke dalam fluida kerja karena ethanol mempunyai nilai konduktivitas termal yang lebih tinggi dibandingkan fluida kerja udara. Dengan demikian, energi yang diubah menjadi kerja piston mengalami peningkatan karena perpindahan panas ke fluida kerja lebih efektif seiring dengan penambahan ethanol.

  Pada sisi lain, ethanol mempunyai massa jenis yang lebih besar

  

  dibandingkan udara sebagaimana dapat dilihat padaPenggunaan fluida kerja bermassa jenis besar justru merupakan kerugian untuk mesin Stirling karena meningkatkan tahanan aerodinamik sehingga mengurangi kerja piston dari mesin Stirling. Pada penambahan ethanol 10% volume fluida kerja mempunyai massa jenis yang lebih besar dibandingkan massa jenis fluida kerja dengan penambahan

  

ethanol sampai 5% volume, akibatnya tahanan aerodinamik pada penambahan

ethanol 5% volume masih lebih rendah dibandingkan dengan tahanan