KARAKTERISTIK PENGGERAK MULA TERMOAKUSTIK PISTON AIR DENGAN DIAMETER SELANG OSILASI 1 INCI

  

KARAKTERISTIK PENGGERAK MULA

TERMOAKUSTIK PISTON AIR DENGAN DIAMETER

SELANG OSILASI 1 INCI

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

  

Program Studi Teknik Mesin

  Diajukan oleh:

  

Aditya Nugraha

NIM : 095214073

  Kepada

  

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

  

CHARACTERISTIC OF WATER PISTON

THERMOACCOUSTIC ENGINE WITH 1 INCH

DIAMETER OF OSCILLATION HOSE

FINAL PROJECT

Presented as fulfillment of the Requirements

To obtain the Sarjana Teknik Degree

in Mechanical Engineering Study Programme

  By:

  

Aditya Nugraha

Student Number : 095214073

  To

  

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

SCIENCE AND ENGINEERING FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

  

TUGAS AKHIR

KARAKTERISTIK PENGGERAK MULA

TERMOAKUSTIK PISTON AIR DENGAN DIAMETER

SELANG OSILASI 1 INCI

  Disusun oleh: ADITYA NUGRAHA

  NIM: 095214073 Telah disetujui oleh:

  Pembimbing 1

HALAMAN PERSETUJUAN

  

TUGAS AKHIR

KARAKTERISTIK PENGGERAK MULA

TERMOAKUSTIK PISTON AIR DENGAN DIAMETER

SELANG OSILASI 1 INCI

  Dipersiapkan dan ditulis oleh: ADITYA NUGRAHA

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

  Susunan Panitia Penguji: Nama lengkap Tanda tangan Ketua : Ir. Petrus Kanisius Purwadi , M.T.

  ………………….

  Sekretaris : Ir. Rines, M.T.

  ………………….

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

  ………………….

  Yogyakarta, 3 Maret 2011 Fakultas Sains dan Teknologi

  Universitas Sanata Dharma Yogyakarta

  Dekan

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, 25 Februari 2011 Penulis

  Aditya Nugraha

  

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

  Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma : Nama : Aditya Nugraha Nomor Mahasiswa : 095214073

  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 1 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, 25 Februari 2011 Yang menyatakan (Aditya Nugraha)

  

ABSTRAK

  Pada kondisi saat ini, ketergantungan dunia akan bahan bakar yang berasal dari minyak bumi masih sangat tinggi. Hal ini menjadi keprihatinan global, karena cadangan minyak bumi yang lambat laun semakin menipis dan pada suatu saat akan habis, dan juga polusi yang ditimbulkan.. Karena kesadaran akan semakin menipisnya cadangan minyak bumi itulah, para ilmuwan berlomba untuk mencari dan mengembangkan sumber energi alternatif. Termoakustik adalah salah satu prinsip yang bisa digunakan untuk menciptakan energi alternatif

  Penelitian ini bertujuan membuat model alat untuk memanfaatkan energi panas yakni penggerak mula termoakustik. Energi panas dapat berasal dari energi surya, panas bumi, biogas atau panas buangan industri. Penggerak mula termoakustik mengkonversikan energi panas menjadi gerak mekanik. Gerak mekanik dapat dimanfaatkan misalnya untuk pompa air. Penelitian ini juga dilakukan untuk mengetahui karakteristik penggerak mula termoakustik yakni daya dan efisiensi maksimal.

  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 1 inci. Energi 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 terhaddari 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 dengan diameter luar tabung 15,7 mm dan panjang 70 mm, tabung dengan diameter luar tabung 20 mm dan panjang 90 mm, tabung dengan diameter luar tabung 25,2 mm dan panjang 100 mm

  Hasil yang didapat dari penelitian ini adalah daya maksimal yang terjadi sebesar 0,226 watt dan efisiensi maksimal terjadi yakni 0,279 %, terjadi pada penggunaan tabung resonator dengan diameter luar 25, 2 mm.

  Kata kunci : Termoakustik, Osilasi, Regenerator, Resonator.

KATA PENGANTAR

  Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmat dan karuniaNya, 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 Piston Air Dengan Diameter Selang Osilasi 1 Inci ”.

  Penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini karena adanya bantuan dan kerjasama berbagai pihak. Pada kesempatan ini perkenankan penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1.

  Romo Andreas Sugijopranoto, S.J., Direktur ATMI Surakarta yang memberikan kesempatan kepada penulis untuk melanjutkan studi di Universitas Sanata Dharma.

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

  3. Budi Sugiharto, S.T., M.T., Ketua Jurusan Teknik Mesin dan Dosen Pembimbing Akademik.

  4. Ir. F.A. Rusdi Sambada, M.T., Dosen Pembimbing Tugas Akhir.

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

  7. Milka Mangesti, S.Psi. atas dorongan semangat dan kasih sayang nya.

  8. Semua rekan-rekan ATMI - Sanata Dharma angkatan pertama, terimakasih atas dukungan dan kerjasamanya.

  9. Serta semua pihak yang telah membantu atas terselesaikannya tugas akhir ini dan tidak dapat 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 mohon maaf yang sebesar-besarnya, terima kasih.

  Surakarta, 25 Februari 2011 Penulis

  Aditya Nugraha

  

DAFTAR ISI

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................... 25

  

  

  

  

  

  DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Siklus termodinamika pada gas ................................................. 5Gambar 2.2 Siklus termoakustik

  ……………………...………………….....6 Gambar 2. 3 Resonator ................................................................................. 7 Gambar 2. 4 Material regenerator dari steel wool ........................................ 8 Gambar 2. 5 Material regenerator dari aluminium ........................................ 8

  

Gambar 3.1 Penggerak mula termoakustik piston a ir…….……...………...14Gambar 3.2 Penggerak mula termoakustik piston pejal

  ……………….......15

Gambar 3.3 Posisi ketinggian awal air ( h )

  ……………………………....17

Gambar 3.4 Penampil t ermokopel……………..……………………….…18Gambar 3.5 Papan u kur…..…………………………………………….…19Gambar 3.5 Stopwatch

  …………..………………………………….……..19

Gambar 4.1 Hubungan antara daya dan waktu pada penggerak mula termoakustik piston air dengan menggunakan tabung resonator

  diameter luar 15,7 mm dan panjang tabung 70 mm dengan regenerator steel wool dengan panjang regenerator 60 mm

  ………………………………………………………..…..41

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

  diameter luar 15,7 mm dan panjang tabung 70 mm dengan regenerator steel wool dengan panjang regenerator 60 mm

  ……………………………………………………………41

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

  diameter luar 20 mm dan panjang tabung 90 mm dengan regenerator steel wool dengan panjang regenerator 60 mm

  …………………………………………………………....42

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

  diameter luar 20 mm dan panjang tabung 90 mm dengan regenerator steel wool dengan panjang regenerator 60 mm

  ………………………………………………………..…43

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

  diameter luar 25,2 mm dan panjang tabung 100 mm dengan regenerator steel wool dengan panjang regenerator 60 mm

  ………………………………………………………..…43

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

  diameter luar 25,2 mm dan panjang tabung 100 mm dengan regenerator steel wool dengan panjang regenerator 60 mm

  ………………………………………………………..…44

Gambar 4.7 Perbandingan antara suhu tabung pendingin, suhu regenerator, dan suhu tabung resonator terhadap waktu pada penggerak

  mula termoakustik piston air dengan menggunakan tabung resonator diameter luar 25,2 mm dan panjang tabung 100 mm dengan regenerator steel wool dengan panjang regenerator 60 mm…………………………………………………………..45

Gambar 4.8 Perbandingan antara daya dan waktu pada penggerak mula termoakustik piston air dengan menggunakan tabung resonator

  diameter luar 15,7 mm dan panjang tabung 70 mm, diameter luar 20 mm dan panjang tabung 90 mm, diameter luar 25,2 mm dan panjang tabung 100 mm dengan regenerator steel wool

Gambar 4.9 Perbandingan antara efisiensi dan waktu pada penggerak mula termoakustik piston air dengan menggunakan tabung resonator

  diameter luar 15,7 mm dan panjang tabung 70 mm, diameter luar 20 mm dan panjang tabung 90 mm, diameter luar 25,2 mm dan panjang tabung 100 mm dengan regenerator steel

  wool dengan panjang regenerator

  60 mm ……………………………………………………..……47

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

  regenerator steel wool dengan panjang regenerator 70 mm menggunakan tabung resonator dengan diameter luar tabung 20 mm dan panjang tabung 120 mm

  …………………...……48

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

  regenerator steel wool dengan panjang regenerator 50 mm menggunakan tabung resonator dengan diameter luar tabung 20 mm dan panjang tabung 120 mm

  ………………………...48

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

  regenerator steel wool dengan panjang regenerator 30 mm menggunakan tabung resonator dengan diameter luar tabung

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

  regenerator aluminium dengan panjang regenerator 70 mm menggunakan tabung resonator dengan diameter luar tabung 20 mm dan panjang tabung 120 mm

  ……………………..…50

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

  regenerator aluminium dengan panjang regenerator 50 mm menggunakan tabung resonator dengan diameter luar tabung 20 mm dan panjang tabung 120 mm

  ……………………...…50

Gambar 4.15 Hubungan antara waktu dan putaran flywheel pada penggerak mula termoakustik piston pejal dengan menggunakan

  regenerator aluminium dengan panjang regenerator 30 mm menggunakan tabung resonator dengan diameter luar tabung 20 mm dan panjang tabung 120 mm

  ……………………...…51

Gambar 4.16 Perbandingan antara waktu dan putaran flywheel pada penggerak mula termoakustik piston pejal dengan menggunakan

  regenerator steel wool dengan panjang regenerator 30 mm, 50 mm, dan 70 mm menggunakan tabung resonator dengan diameter luar tabung 20 mm dan panjang tabung 120

Gambar 4.17 Perbandingan antara waktu dan putaran flywheel pada penggerak mula termoakustik piston pejal dengan

  menggunakan regenerator aluminium dengan panjang regenerator 30 mm, 50 mm, dan 70 mm menggunakan tabung resonator dengan diameter luar tabung 20 mm dan panjang tabung 120 mm

  …………………………….………………..53

  

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data pengujian penggerak mula termoakustik piston air dengan menggunakan tabung resonator diameter luar 15,7 mm dan panjang

  tabung 70 mm dengan regenerator steel wool dengan panjang regenerator 60 mm…………………………………………………..25

Tabel 4.1 Data pengujian penggerak mula termoakustik piston air dengan menggunakan tabung resonator diameter luar 15,7 mm dan panjang

  tabung 70 mm dengan regenerator steel wool dengan panjang regenerator 60 mm. (lanjutan) ……………………………………....26

Tabel 4.2 Data pengujian penggerak mula termoakustik piston air dengan menggunakan tabung resonator diameter luar 20 mm dan panjang

  tabung 90 mm dengan regenerator steel wool dengan panjang regenerator 60 mm………………. …………………………………26

Tabel 4.2 Data pengujian penggerak mula termoakustik piston air dengan menggunakan tabung resonator diameter luar 20 mm dan panjang

  tabung 90 mm dengan regenerator steel wool dengan panjang regenerator 60 mm. (lanjutan)…………………………………...….27

Tabel 4.3 Data pengujian penggerak mula termoakustik piston air dengan menggunakan tabung resonator diameter luar 25.2 mm dan panjang

  tabung 100 mm dengan regenerator steel wool dengan panjang

Tabel 4.4 Data pengujian penggerak mula termoakustik piston pejal dengan menggunakan regenerator steel wool dengan panjang regenerator 70

  mm menggunakan tabung resonator dengan diameter luar tabung 20 mm dan panjang tab ung 120 mm……………………………….…...29

Tabel 4.4 Data pengujian penggerak mula termoakustik piston pejal dengan menggunakan regenerator steel wool dengan panjang regenerator 70

  mm menggunakan tabung resonator dengan diameter luar tabung 20 mm dan panjang tabung 120 mm. (lanjutan)………………….….…30

Tabel 4.5 Data pengujian penggerak mula termoakustik piston pejal dengan menggunakan regenerator steel wool dengan panjang regenerator 50

  mm menggunakan tabung resonator dengan diameter luar tabung 20 mm dan panjang tabun g 120 mm……………….…………………...30

Tabel 4.5 Data pengujian penggerak mula termoakustik piston pejal dengan menggunakan regenerator steel wool dengan panjang regenerator 50

  mm menggunakan tabung resonator dengan diameter luar tabung 20 mm dan panjang tabung 120 mm. (lanjutan)…………...……………31

Tabel 4.6 Data pengujian penggerak mula termoakustik piston pejal dengan menggunakan regenerator steel wool dengan panjang regenerator 30

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

  …………………………..………32

Tabel 4.7 Data pengujian penggerak mula termoakustik piston pejal dengan menggunakan regenerator aluminium dengan panjang regenerator 70

  mm menggunakan tabung resonator dengan diameter luar tabung 20 mm dan panjan g tabung 120 mm.……………………………….….…33

Tabel 4.8 Data pengujian penggerak mula termoakustik piston pejal dengan menggunakan regenerator aluminium dengan panjang regenerator50

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

  ……………………….……………34

Tabel 4.9 Data pengujian penggerak mula termoakustik piston pejal dengan menggunakan regenerator aluminium dengan panjang regenerator 30

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

  ……………………………….……35

Tabel 4.10 Tabel data untuk mencari daya spiritus dengan massa air yang dipakai

  0,238 kg ………………………………………………………………35

Tabel 4.11 Tabel hasil perhitungan penggerak mula termoakustik piston air dengan menggunakan tabung resonator diameter luar 15,7 mm dan

  panjang tabung 70 mm dengan regenerator steel wool dengan panjang regenerator 60 mm.

  ……………………..………………………….…38

Tabel 4.12 Tabel hasil perhitungan penggerak mula termoakustik piston air dengan menggunakan tabung resonator diameter luar 20 mm dan

  panjang tabung 90 mm dengan regenerator steel wool dengan panjang

Tabel 4.13 Tabel hasil perhitungan penggerak mula termoakustik piston air dengan menggunakan tabung resonator diameter luar 25,2 mm dan

  panjang tabung 100 mm dengan regenerator steel wool dengan panjang regenerator 60 mm.

  …………………..……………………40

DAFTAR NOTASI

• - C P : panas spesifik pada tekanan tetap (kJ/kg.K)

• - f : frekuensi (Hz)
• - g : percepatan gravitasi (9,81 m/det

  2

  )

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

  2

  )

  3

• - V : volume perbedaan tinggi kolom air (m
• - W : daya (watt)
• - ΔT : selisih temperatur (
• - Δt : selisih waktu (detik)
• - η
• - ρ air : massa jenis air (kg/m

  )

  o K )

  : efisiensi mesin (%)

  3

  )

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

  Pada kondisi saat ini, ketergantungan dunia akan bahan bakar yang berasal dari minyak bumi masih sangat tinggi. Hal ini menjadi keprihatinan global, karena cadangan minyak bumi yang lambat laun semakin menipis dan pada suatu saat akan habis, dan juga polusi yang ditimbulkan. Cuaca ekstrim yang terjadi akhir

• – akhir ini merupakan bukti nyata dari akibat pemanasan global yang terjadi akibat efek rumah kaca, yang penyebab utamanya adalah gas CO

  2 hasil pembakaran dari bahan bakar yang berasal dari minyak bumi.

  Karena kesadaran akan semakin menipisnya cadangan minyak bumi itulah, para ilmuwan berlomba untuk mencari dan mengembangkan sumber energi alternatif. Termoakustik adalah salah satu prinsip yang bisa digunakan untuk menciptakan energi alternatif. Penggerak mula termoakustik yang kami buat ini adalah alat yang sangat sederhana untuk mengubah energi panas menjadi energi gerak. Ide dasar dari termoakustik adalah fenomena osilasi gelombang suara dimana didalamnya terdapat aktifitas kompresi dan ekspansi terhadap partikel gas. Dari hasil pengamatan, ternyata selama aktifitas ini berlangsung suhu gas juga mengalami osilasi. Ketika gas tersebut berinteraksi dengan batas-batas solid akan terjadi aliran panas/kalor ke dan dari dinding-dinding celah tersebut. Peristiwa semacam ini disebut sebagai efek termoakustik. Osilasi suhu 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.

1.2 Tujuan

  1) Membuat model penggerak mula termoakustik yang berupa aplikasi dengan piston air dan dengan menggunakan piston pejal yang menggerakkan flywheel sebagai pembanding.

  2) Mengetahui karakteristik yakni daya dan efisiensi maksimal dari penggerak mula termoakustik piston air yang menggunakan diameter selang osilasi 1 inci.

  3) Mengetahui karakteristik dari penggerak mula termoakustik piston pejal yakni kecepatan putaran dari flywheel sebagai referensi.

1.3 Manfaat

  1) Sebagai referensi untuk pengembangan prinsip termoakustik di masa mendatang untuk diaplikasikan dalam kehidupan sehari

• – hari. 2)

  Menambah semangat para generasi muda untuk lebih memanfaatkan sumber energi terbarukan untuk masa depan yang lebih baik

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Penelitian Yang Pernah Dilakukan

  Penelitian tentang termoakustik sudah dimulai sejak kira-kira 125 tahun yang lalu ketika Lord Rayleigh pertama kali memberikan paparan tentang efek

  thermoaccoustic melalui tulisannya “The Theory of Sound”, yang dipublikasikan

  pada tahun 1887. Dia mengungkapkan bahwa gelombang suara bisa menghasilkan perbedaan temperatur pada media yang dilaluinya ( gas ). Tetapi penelitian ini sempat berhenti selama kira-kira 80 tahun sampai saat Rott memulai publikasi penelitian tentang termoakustik pada tahun 1969 ( Peter Timbie, 2006).

  Lebih dari 20 tahun yang lalu, Ceperley menunjukkan kemungkinan untuk mengembangkan mesin kalor tanpa bagian yang bergerak (piston). Dia mengakui bahwa gas yang berada pada aliran gelombang suara akan mengalami perubahan suhu regenerator yang berupa siklus thermodinamika seperti siklus stirling dan menyarankan sebagai mesin stirling tanpa piston dimana aliran gelombang suara berfungsi sebagai piston pada mesin stirling conventional (Yuku Ueda, 1996).

  Sedangkan penelitian lain yang pernah dilakukan mengenai konservasi energi panas adalah penelitian tentang penelitian pompa air energi panas yaitu Pompa Air Energi Termal Menggunakan Evaporator Plat 35 cc. Penelitian pada et. al., 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 oleh Smith menunjukkan bahwa ukuran kondenser yang sesuai dapat meningkatkan daya output sampai 56% ( Smith, 2005 ). Penelitian pompa air energi panas surya memperlihatkan bahwa waktu pengembunan uap dipengaruhi oleh temperatur dan debit air pendingin masuk kondensor ( Sumathy et. al., 1995 ). Penelitian secara teoritis pompa air energi panas surya dengan dua macam fluida kerja, yaitu n-pentane dan ethyl ether memperlihatkan bahwa efisiensi pompa dengan ethyl ether 17% lebih tinggi dibanding n-pentane untuk tinggi head 6 m ( Wong, 2000 ). 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 ).

  Pada penelitian “Pompa Air Energi Termal dengan Evaporator 39 CC dan

  Pemanas 266 Watt” mampu menghasilkan daya pompa (Wp) maksimum adalah 0.139 watt, efisi ensi 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 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, Agung, 2011).

2.2 Dasar Teori

  Prinsip kerja dari penggerak mula termoakustik yang kami teliti sebenarnya adalah proses kebalikan dari apa yang pertama kali dikemukakan oleh Lord Rayleigh. Dimana input daya adalah panas kemudian diubah menjadi energi tekanan (gas) dan gelombang suara (meskipun dalam sistem penggerak kami tidak terindikasi terdengar suara yang kemungkinan dikarenakan frekuensinya dibawah area pendengaran manusia ).

  Kondisi normal Kondisi gas mampat Kondisi gas mengembang

Gambar 2.1 Siklus termodinamik pada gas

  “Gambar di atas menunjukkan apa yang terjadi pada sebuah partikel gas pada saat terjadinya siklus thermodinamik. Ketika ada stimulasi impuls getaran 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 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 (Qc) dari regenerator. Sebuah siklus yang lengkap dikendalikan oleh suatu gelombang berjalan (suara) akan mengakibatkan kompresi gas, dan penurunan temperatur gas (Qw) di sisi kiri (-dU), ini terjadi pada saat temperatur gas (Tw) lebih tinggi daripada regenerator.

  Kemudian diikuti oleh ekspansi dan pengambilan panas dari regenerator (Qc) di sebelah kanan (+dU) pada saat temperatur gas yang rendah (Tc )”.

  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 frekuensi. Daya tergantung dari area melintang dari resonator. Sebagai tambahan, resonator berfungsi sebagai pemisah antara termoakustik di sebelah kiri dan pompa kalor di sebelah kanan. 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 steelwool

  Prinsip kerja mesin

  Dibawah ini akan dijelaskan prinsip kerja dari alat yang kami buat, yang merupakan siklus kebalikan dari konsep dasar awal dari termoakustik.

  Dimulai dari kondisi saat mesin belum diberi daya input (Gambar 2. 6) Gambar 2. 6 Posisi awal mesin

  Gambar 2. 7 Posisi pertama setelah diberi daya input (panas) Pada Gambar 2.7 gas yang berada didalam sistem akan mengalami kanaikan suhu, oleh karena itu gas akan lebih panas dari pada regenerator, dan regenerator akan menyerap panas tersebut. Bersamaan dengan itu karena saat temperatur naik maka gas akan memuai dan akan mendorong piston air. Disini juga terjadi pemindahan panas pada tabung pendingin.

  Gambar 2. 8 Posisi kedua setelah diberi daya input (panas) Pada Gambar 2. 8 terlihat seiring memuainya gas suhu gas juga akan cenderung menurun.

  Gambar 2. 9 Posisi ekspansi maksimal Pada gambar 2. 9 Terjadi ekspansi udara maksimal, disini suhu gas menjadi lebih rendah daripada suhu regenerator, dan tekanan hidrostatik air lebih besar daripada tekanan gas.

  Gambar 2. 10 Regenerator melepas panas ke arah gas Pada Gambar 2.10 terlihat regenerator melepaskan panas ke gas, hal ini terjadi karena suhu gas lebih kecil daripada suhu regenerator, dan piston air akan menekan balik gas di dalam mesin.

  Gambar 2. 11 Posisi kompresi maksimal

Gambar 2.11 menunjukkan bahwa karena ada tekanan balik dari piston air maka gas akan terkompresi, sehingga karena tekanan gas naik maka suhu gas

  juga akan naik pula. Karena gas juga masih mendapat panas dari sumber panas maka suhu gas menjadi lebih tinggi daripada suhu regenerator. Maka akan terulang siklus dari Gambar 2.6 sampai Gambar 2.11 secara terus menerus.

  Rumus – rumus yang dipakai

  Untuk menghitung tekanan dipergunakan Persamaan (2.1)

  P = ρ . g . h ( 2.1 )

  Pada Persamaan (2.1)

  P = tekanan hidrostatis (N/m²) ρ = massa jenis air (kg/m³)

  g = percepatan gravitasi (m/det²) h = beda tinggi kolom air (m) Dilihat secara analisis dimensional : Secara logika ketika head nya semakin besar, maka tekanan yang terjadi semakin besar pula, maka Persamaan (2.1) dapat digunakan.

  Untuk menghitung daya dipergunakan Persamaan (2.2)

  W = P . V . f ( 2.2 )

  Pada Persamaan (2.2)

  W = daya (watt) P = tekanan hidrostatis (N/m²)

  3 V = volume perbedaan tinggi kolom air (m ) f = frekuensi (Hz)

  Dilihat secara analisis dimensional :

  Secara logika ketika frekuensi osilasi semakin besar, maka daya yang terjadi semakin besar pula, maka Persamaan (2.2) dapat digunakan.

  Untuk menghitung efisiensi dipergunakan Persamaan (2.3)

  η = daya penggerak x 100 % ( 2.3 )

  daya spirtus rata-rata Untuk menghitung daya spiritus dipergunakan Persamaan (2.4)

  Daya spiritus = m . Cp. ( 2.4 )

  ΔT/Δt

  Pada Persamaan (2.4)

  m = massa air (kg) Cp = o

  C)

  ΔT = perbedaan temperature ( Δt = perbedaan waktu (second)

  Persamaan (2.4) merupakan pendekatan untuk mencari daya rata

• – rata

BAB III METODE PENELITIAN

3.1 Skema alat penelitian

  Alat yang dipakai dalam penelitian ini adalah penggerak mula termoakustik piston air dengan diameter selang osilasi 1 inci. Sedangkan sebagai alat referensi kami memakai penggerak mula termoakustik piston pejal.

3.1.1 Penggerak mula termoakustik piston air.

  Pada penggerak mula termoakustik piston air terdiri dari beberapa bagian penting. (lihat Gambar 3. 1).

  1

  2

  3

  4

  5

  6

  7

  8 Keterangan : 1. tabung pendingin 2. pemanas spiritus 3. regenerator 4. tabung resonator 5. papan ukur 6. selang osilasi 7. fluida (air) 8. stand

3.1.2 Penggerak mula termoakustik piston pejal

  Pada penggerak mula termoakustik piston pejal terdiri dari beberapa bagian penting. (lihat Gambar 3. 2).

  3

  4

  5

  2

  6

  1

  7 Keterangan : 1. pemanas spiritus 2. regenerator 3. tabung resonator 4. silinder 5. piston 6. flywheel 7. stand

3.2 Variabel - variabel yang divariasikan

  Dari percobaan dengan menggunakan penggerak mula termoakustik piston air, variabel yang divariasikan adalah : a) Ukuran tabung resonator

   Diameter luar 15,7 mm dengan panjang tabung 70 mm  Diameter luar 20 mm dengan panjang tabung 90 mm  Diameter luar 25,2 mm dengan panjang tabung 100 mm Sedangkan dari percobaan dengan menggunakan penggerak mula termoakustik piston pejal dengan aplikasi flywheel, variabel yang divariasikan adalah :

  a) Material regenerator yakni : (1) steel wool dan (2) aluminium

  b) Panjang regenerator yakni : (1) 30 mm, (2) 50 mm, dan (3) 70 mm

3.3 Variabel - variabel yang diukur dan cara pengukuran

  Untuk percobaan dengan menggunakan penggerak mula termoakustik piston air, variabel yang diukur adalah : a) Suhu pada tabung pendingin.

  b) Suhu pada regenerator.

  c) Suhu pada tabung resonator.

  d) Panjang osilasi fluida.

  e) Frekuensi osilasi.

  f) ) dihitung dari skala pengukuran, Ketinggian awal permukaan air (h sebelum mesin diberi daya input (energi panas).

Gambar 3.3 Posisi ketinggian awal air ( h ) Sedangkan untuk percobaan dengan menggunakan penggerak mula termoakustik piston pejal dengan aplikasi flywheel, variabel yang diukur adalah : a) Suhu pada tabung pendingin.

  b) Suhu pada regenerator.

  c) Suhu pada titik pemanasan.

  d) Suhu pada silinder.

  e) Putaran dari flywheel.

  Cara pengukuran variabel tersebut adalah :

  a) Untuk pengukuran suhu, cara pengukuran dengan menggunakan termokopel.

Gambar 3.4 Penampil termokopel b) Untuk pengukuran panjang osilasi pada fluida digunakan papan ukur yang dipasang pada stand.

Gambar 3.5 Papan ukur

  c) Untuk mengukur frekuensi dan putaran rpm pada flywheel digunakan stopwatch .

3.4 Langkah – Langkah Penelitian

  a) Untuk percobaan dengan menggunakan penggerak mula termoakustik piston air, langkah

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

  a) tabung resonator b) regenerator c) selang osilasi d) fluida (air) e) papan ukur f) pemanas spiritus g) besi untuk stand h) tabung pendingin

  2. Membuat stand.

  Dengan menggunakan potongan besi profil L dan bentuk stand sesuai kebutuhan dalam rangkaian tersebut.

  3. Regenerator.

  Memasukkan bahan regenerator yang terbuat dari bahan steel wool dalam tabung resonator dengan diameter luar tabung 15,7 mm dan panjang tabung 70 mm, dengan panjang regenerator 60 mm.

  4. Membuat tabung ruang dengan menggunakan selotip listrik dan selang, tabung pendingin dengan diameter luar 25 mm dan panjang 100 mm dihubungakan dengan tabung resonator yang telah terisi regenerator.

  6. Memasukan air dalam selang dan ukur ketinggian air tersebut sesuai penelitian yang akan diuji.

  7. Menyiapkan pemanas spiritus untuk membakar udara di dalam tabung resonator, dengan besar api yang konstan dan sesuaikan peletakan api supaya jangan membakar generator.

  8. Mencatat ketinggian awal sebelum osilasi ( ho ). Ketinggian ho diukur dari posisi skala 0 di papan ukur.

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

  10. Mencatat waktu yang diperlukan untuk 10 kali osilasi.

  11. Mencatat hasil percobaan dengan rentang waktu 1 menit hingga mencapai waktu yang telah ditentukan.

  12. Mengulangi langkah 3 sampai 11 dengan menggunakan tabung resonator dengan diameter luar 20 mm dan panjang tabung 90 mm sehingga di dapatkan data yang lain.

  13. Mengulangi langkah 3 sampai 11 kembali dengan menggunakan tabung resonator dengan diameter luar 25,2 mm dan panjang tabung 100 mm sehingga di dapatkan data yang lain.

  14. Melakukan perhitungan dari data – data yang telah diperoleh sehingga diperoleh daya yang terjadi.

  15. Membuat grafik hubungan daya dan waktu dari tiap – tiap variasi yang telah dilakukan sehingga dari grafik tersebut, kita bisa mengetahui b) Sedangkan untuk percobaan dengan menggunakan penggerak mula termoakustik piston pejal, langkah

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

  a) tabung resonator b) regenerator c) pemanas spiritus d) piston e) silinder f) flywheel g) stand h) o ring

  2. Membuat stand.

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

  3. Memasang choke pada piston.

  4. Memasang piston pada stand yang telah disiapkan.

  5. Regenerator.

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

  6. Memasang tabung resonator yang sudah berisi regenerator ke piston yang

  8. Memasang piston dan shaft yang dihubungkan ke flywheel.

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

  10. Mencatat data awal sebelum pemanas spiritus dinyalakan.

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

  12. Mencatat waktu yang diperlukan untuk 20 kali putaran flywheel.

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

  14. Mengulangi langkah 5 sampai 13 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. Mengulangi langkah 5 sampai 13 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. Mengulangi langkah 5 sampai 13 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.