Modul Praktikum I MESIN STIRLING
Modul Praktikum I
MESIN STIRLING
A. Tujuan Penelitian
1. Menganalisa faktor yang berperan dalam unjuk kerja mesin stirling
2. Menentukan efisiensi termal mesin stirling
B. Teori
Mesin Stirling
Mesin stirling merupakan salah satu jenis motor bakar pembakaran eksternal, karena pembakaran
dilakukan di luar mesin, berbeda dari mesin Diesel atau mesin Otto. Mesin stirling ditemukan oleh Dr.
Robert Stirling pada tahun 1816. Mesin stirling memiliki dua reservoir yang dijaga agar memiliki beda
temperatur yang cukup besar. Mesin stirling menggunakan siklus regeneratif tertutup, di mana fluida
kerja akan terkompresi atau terekspansi pada reservoir yang terpisah[3].
Gambar 1. Mesin Stirling dan Komponennya [5]
Mesin stirling pada dasarnya adalah mesin udara panas yang dikembangkan awal abad 19. Mesin
stirling berbasis pada prinsip udara yang berekspansi jika dipanaskan dan menyusut jika didinginkan.
Namun, pada perkembangannya mesin ini kalah bersaing dengan mesin Otto atau mesin Diesel karena
tenaga yang dihasilkan lebih kecil daripada kedua mesin tersebut. Namun, mesin stirling saat ini
menjadi alternatif mesin penggerak karena kelebihannya dapat menggunakan berbagai jenis sumber
panas dan ramah lingkungan. Mesin stirling terdiri dari beberapa bagian, seperti dua buah silinder
1
berisi piston, yaitu piston displacer sebagai piston dengan suhu tinggi dan piston daya yang merupakan
piston suhu rendah, torak piston, heatsink dan poros engkol atau flywheel seperti ditunjukkan pada
Gambar 1.
1. Displacer
Displacer merupakan piston yang berada di silinder displacer. Kegunaan dari displacer adalah
untuk memindahkan fluida kerja yang sudah dipanaskan dan mendorong displacer ke piston daya.
Karena adanya heatsink pada mesin menciptakan dua reservoir pada mesin stirling, yaitu reservoir
panas dan reservoir dingin. Pada Gambar 2.3, reservoir panas ditunjukkan dengan silinder yang
dilingkupi warna merah dan reservoir panas ditunjukkan dengan silinder yang dilingkupi warna biru.
Reservoir ini menempati volume yang penting pada mesin stirling. Peran dari displacer adalah untuk
memindahkan fluida kerja secara bolak-balik pada kedua reservoir tersebut. Sehingga secara terus
menerus mendinginkan dan memanaskan fluida kerja dan menghasilkan pemuaian dan penyusutan
fluida kerja supaya mesin stirling dapat beroperasi[4].
Karakteristik ideal dari displacer adalah terbuat dari bahan yang ringan sehingga dapat dipercepat
atau diperlambat secara cepat tanpa mengambil banyak daya mesin, kemudian dibuat dari bahan
dengan konduktivitas termal sekecil mungkin untuk menghindari penyerapan dan pelepasan panas oleh
piston displacer sendiri, kemudian harus terbuat dari bahan yang kuat dan memiliki gesekan yang
minimal dengan dinding silinder[4].
Sebagian besar mesin stirling menggunakan displacer yang tidak berbentuk seperti piston pada
umumnya. Salah satu perbedaan yang signifikan antara displacer dengan piston biasa adalah displacer
biasanya didesain longgar, tidak seperti piston biasa yang dibuat serapat mungkin dengan dinding
piston. Hal ini bertujuan untuk memberikan ruang bagi fluida kerja untuk berpindah ke silinder dingin
ketika piston displacer bergerak menekan fluida kerja.
Penggunaan displacer sebenarnya bergantung pada jenis mesin stirling yang akan dirancang.
Displacer biasanya digunakan pada mesin stirling jenis beta dan gamma. Sementara pada mesin
stirling jenis alfa tidak menggunakan displacer, melainkan memakai dua piston daya biasa karena
antara silinder displacer dengan silinder dingin terhubung tidak secara langsung, melainkan
menggunakan pipa.
2. Piston Daya
Piston daya ini memiliki struktur yang sama dengan piston pada mesin pembakaran internal.
Memiliki fungsi untuk meneruskan daya akibat tekanan yang bekerja pada permukaan atas piston ke
poros engkol pada mesin. Piston bergerak naik dan turun di dalam silinder yang tidak mendapat
sumber panas atau dikenal sebagai silinder dingin dan berbeda dengan displacer, piston daya didesain
serapat mungkin dengan dinding silinder dengan menambah ring piston yang terbuat dari karet yag
2
mudah memuai ketika panas sehingga mencegah fluida kerja bocor dari sistem dan menurunkan
tekanan kerja pada silinder[4].
Piston daya harus terbuat dari bahan yang seringan mungkin. Selain itu, celah antara piston
dengan dinding silinder harus dibuat serapat mungkin dengan menggunakan ring piston yang dibuat
dari logam, karet, atau bahan lain yang sesuai. Untuk kasus tertentu, pelumasan dengan oli diperlukan
untuk merapatkan celah antara piston dengan dinding silinder dan mengurangi gesekan ketika piston
bergerak. Pelumas yang digunakan juga harus memiliki tingkat penguapan yang rendah sehingga
ketika mesin beroperasi, pelumas tidak menguap dan menambah gesekan pada mesin[4].
3. Torak Piston
Torak piston merupakan batang yang menghubungkan antara displacer atau piston daya dengan
flywheel. Fungsi dari torak piston adalah meneruskan daya dari dorongan piston ke flywheel[4].
Flywheel merupakan perangkat pada mesin stirling yang berbentuk seperti roda. Fungsi dari perangkat
ini adalah mengkonversi gerak pada piston menjadi gerak putaran. Flywheel ini dapat dihubungkan
dengan pompa atau generator[4].
4. Fluida Kerja
Salah satu komponen penting pada mesin stirling adalah fluida kerja. Fluida kerja yang
digunakan berupa gas yang mengisi volume mesin stirling. Pemilihan fluida kerja yang digunakan
memegang peranan penting terhadap unjuk kerja mesin stirling. Mesin stiring akan memiliki kerja
yang maksimal jika fluida kerja yang digunakan adalah gas yang massanya lebih ringan daripada
udara. Karena gas yang massanya lebih ringan dari udara memiliki viskositas yang rendah, sehingga
menghasilkan rugi aliran yang rendah, selain itu memiliki kalor spesifik Cp yang rendah[5]. Pilihan
lain adalah menggunakan fluida kerja organik, karena fluida kerja organik memiliki titik didih yang
lebih rendah daripada udara sehingga untuk membentuk fluida bertekanan tidak memerlukan suhu
yang tinggi seperti pada halnya udara biasa.
Dalam mesin stirling yang digunakan dalam penelitian ini adalah mesin stirling dengan fluida
kerja udara, sejumlah fluida kerja dimasukkan ke dalam mesin dengan perbedaan temperatur
diaplikasikan pada kedua piston. Ketika silinder displacer dipanaskan, maka fluida kerja di dalamnya
akan berekspansi dan mendorong piston displacer. Di sisi lain, silinder dingin yang berisi piston daya
yang pergerakannya terkopel dengan displacer melalui poros engkol. Ketika displacer bergerak naik
udara akan didorong menuju silinder dingin untuk diturunkan suhunya melewati regenerator yang akan
menyerap sebagian panas udara dan ketika udara dari silinder dingin didorong kembali ke silinder
displacer, panas pada regenerator diserap udara dan meningkatkan suhunya agar tercapai efisiensi
termal maksimum.
Mesin stirling memiliki kelebihan seperti pengoperasiannya yang lebih tenang daripada mesin
pembakaran internal. Kemudian, mesin stirling dapat beroperasi dengan semua jenis bahan bakar fosil,
3
bahkan dapat menggunakan panas matahari. Namun, di sisi lain, mesin stirling memerlukan waktu
yang cukup lama agar dapat beroperasi dengan optimal dari keadaan diam.
Mesin Stirling Tipe Gamma
Mesin stirling gamma memiliki piston kompresi dan piston yang terpisah, namun torak piston
tetap terhubung dengan satu poros engkol. Gas di dalam silinder dapat bergerak bebas melalui celah di
antara kedua silinder sehingga dapat membentuk sistem tunggal seperti tipe beta walaupun silindernya
terpisah. Mesin stirling tipe gamma masih memiliki struktur yang dapat dipisahkan[6]. Mesin stirling
tipe gamma ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Mesin stirling tipe gamma[5]
Siklus Stirling
Mesin stirling bekerja dengan menggunakan siklus stirling. Siklus Stirling terdiri dari dua proses
isothermal dan proses isokhorik. Siklus ini bersifat reversibel. Siklus stirling dapat ditunjukkan pada
Gambar 3.
(a)
(b)
Gambar 3. (a) Diagram P-v Siklus Stirling
(b) Keadaan Mesin Pada Setiap Proses
4
Proses dalam siklus stirling pada Gambar 3 dapat dijelaskan sebagai berikut:
1. Proses 1-2, proses kompresi isotermal T1. Salah satu piston menekan fluida kerja sementara
piston yang lain dalam kondisi stasioner sehingga volume berubah dari V 1 menjadi V2. Hal ini
meningkatkan tekanan dari P1 menjadi P2 dalam kondisi suhu tetap. Sehingga kalor yang
dilepas pada tahap ini dinyatakan dalam Persamaan 1.
W 1−2=m . R . T 1 . ln
V2
V1
(1)
Di mana m adalah massa fluida kerja di dalam mesin, R adalah tetapan gas ideal, T1 adalah
suhu pada silinder daya.
2. Proses 2-3, proses transfer kalor isokhorik. Kedua piston bergerak dengan arah yang
berlawanan untuk membuat fluida terekspansi dan menaikkan suhunya dari T2 menjadi T3 dan
melewati regenerator. Kalor yang dilepas regenerator dinyatakan dalam persamaan 2.
Q2−3=m .C v .(T 3 −T 2 )
(2)
Di mana Cv adalah kapasitas kalor fluida kerja yang digunakan, T3 adalah suhu pada silinder
displacer di mana T3 = T4 dan T2 = T1.
2. Proses 3-4, proses ekspansi isotermal. Fluida kerja yang terekspansi dari V 3 menjadi V4
menggerakan piston dengan suhu tetap dari sumber panas eksternal. Di sini, V 3 = V2 dan V4 =
V1. Kalor yang diserap pada tahap ini dinyatakan dalam persamaan 3.
W 3−4 =m. R . T 3 . ln
V3
V4
(3)
Di mana T3 adalah suhu pada displacer, R adala tetapan gas ideal, dan m adalah massa fluida
kerja.
3. Proses 4-1, proses transfer energi isokhorik. Kebalikan dari proses 2-3, yaitu untuk membuat
fluida terkompresi dan menurunkan suhunya dari T4 menjadi T1. Kalor yang diserap regenerator
pada tahap ini sebesar.
Q4−1=m. C v .(T 1−T 4 )
(4)
Di mana Cv adalah kapasitas kalor fluida kerja, m adalah massa fluida kerja
Sehingga dari perumusan di atas dapat diperoleh efisiensi termal mesin stirling dituliskan dalam
persamaan 5.
η=
W out W 3−4−W 1−2
=
=
W 3− 4
W 3−4
m. R . ln
V2
(T 3−T 1 )
V1
( )
( )
V2
m . R . ln
(T 3)
V1
Kolektor Surya Parabola
5
=1−
T1
T3
(5)
Parabola cermin reflektor adalah permukaan reflektif yang digunakan untuk mengumpulkan atau
energi proyek seperti cahaya atau gelombang elektromagnetik. Bentuk dari paraboloid melingkar, yaitu
permukaan yang dihasilkan oleh parabola berputar di sekitar fokusnya. Reflektor parabola mengubah
gelombang datang yang sejajar, kemudian dipantulkan ke titik fokus pada parabola[8]. Gambar
parabola ditunjukkan pada Gambar 5.
Dalam sistem ini, kolektor surya berfungsi sebagai sumber panas yang dikumpulkan dari
matahari. Panas yang dikumpulkan digunakan untuk memanaskan displacer sehingga udara di
dalamnya memuai dan menggerakkan piston daya. Kalor efektif yang diterima dari kolektor surya oleh
mesin adalah sejumlah kalor yang dipakai sehingga fluida kerja terekspansi, yaitu sesuai dengan
persamaan (3). Penggunaan solar kolektor di Indonesia sangat potensial. Hal ini karena Indonesia
memiliki intensitas rata-rata sebesar 4,8 kW/m2 [8]. Sehingga energi matahari dapat dimanfaatkan
untuk menggerakkan mesin stirling.
Gambar 5. Kolektor Surya Jenis Parabola
III. Alat Penunjang
Untuk menunjang pengambilan data digunakan alat-alat sebagai berikut
1. Termometer laser
Untuk mengukur suhu sisi panas dan silinder daya mesin
2. Luxmeter
Untuk mengukur intensitas datang matahari
3. Stopwatch
Mengukur waktu putaran mesin
IV. Prosedur Percobaan
A. Menghitung volume maksimum dan minimum silinder displacer dan silinder daya.
1. Mengukur dimensi mesin stirling sesuai dengan tabel berikut.
6
Tabel 1. Spesifikasi Dimensi Mesin Stirling
Dimensi
Diameter silinder displacer (Dd)
Panjang maksimum ruang silinder displacer (hd maks)
Panjang minimum ruang silinder displacer (hd min)
Diameter silinder daya (Dc)
Panjang ruang minimum silinder daya (hc min)
Panjang ruang maksimal silinder daya (hc maks)
Ukuran (cm)
Hitung volume silinder maksimum dan minimum untuk silinder displacer dan silinder daya
dengan perumusan berikut.
1
2
V d maks = . π . D d .h d maks
4
1
V d min = . π . Dd 2 . hd min
4
Volume piston daya didapat sebagai berikut:
1
V c maks= . π . Dc 2 . hc maks
4
1
V c min = . π . D c2 . hc min
4
Tabel 2. Tabel Spesifikasi Kolektor Surya
Spesifikasi
Jenis Reflektor
Diameter Efektif
Jarak Fokus
Luas Reflektor Efektif
Bahan Reflektor
Jenis/Ukuran
Parabola
80 cm
51 cm
4.925 cm2
Cermin
2. Menghitung massa molar fluida kerja ditentukan dengan membandingkan volume fluida kerja
maksimal yang berada di silinder daya dengan volume udara dalam keadaan suhu dan tekanan
standar[7].
n=
V c maks
Vc maks
=
V STP 0,02214 m3
Prosedur Pengukuran
Mesin stirling dikondisikan mendapat fokus berkas matahari yang maksimal dengan
memposisikan kolektor tegak lurus dengan arah datang sinar matahari. Pengukuran intensitas
datang matahari dengan menggunakan luxmeter yang diletakkan di permukaan kolektor surya.
Kemudian pengukuran putaran flywheel dengan menggunakan stopwatch . Kemudian pengukuran
7
suhu displacer dan suhu silinder daya menggunakan termometer laser seperti ditunjukkan pada
Gambar 6.
Gambar 6. Prosedur Pengujian Dengan Menggunakan Kolektor Surya
3. Pengambilan data terhadap mesin stirling sesuai dengan table data berikut.
Tabel 2. Tabel Data Mesin Stirling
No
.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Waktu
(menit)
T displacer
(oC)
T silinder daya
(oC)
RPM
Intensitas
(kLux)
4. Menghitung Usaha Ekspansi dan Usaha Kompresi
Usaha ekspansi dan usaha kompresi dapat diketahui dengan mencari terlebih dahulu jumlah
molar gas yang berada di dalam silinder daya dengan pendekatan gas ideal. Kemudian dapat
dilakukan perhitungan terhadap usaha yang dihasilkan dalam proses ekspansi dan usaha yang
dibutuhkan dalam proses kompresi sebagai berikut
8
W e =n . R .T h . ln
V c maks
V c min
W c =n . R .T c . ln
V c min
V c maks
5. Menghitung Usaha Total Mesin, Daya Mesin, dan Efisiensi Termal Mesin
Usaha mesin, daya mesin, dan efisiensi termal mesin berturut-turut dapat dihitung
menggunakan rumus berikut.
W = We + Wc
P = W.n
W= Usaha Total Mesin per siklus
n = Putaran mesin per detik (RPS)
ɳ=
W
We
x100%
6. Menghitung Daya Input Matahari
Daya matahari dapat dihitung jika intensitas matahari dan luasan kolektor surya diketahui
dan dapat dihitung efisiensi kolektor menggunakan faktor konversi 1 lux = 0,0079 W/m 2[8].
Didapat hasil sebagai berikut:
Pmatahari = I.Akolektor
I = Intensitas matahari
Akolektor = Luasan kolektor
Tabel 3. Hasil Perhitungan Mesin Stirling
No
.
Waktu
(menit)
T
displace
r (K)
T
silinder
daya(K
)
RPS
Intensita
s (W/m2)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
9
∆T
(oC)
W
(Joule
)
P
input
(Watt)
P
Efisiensi
mesin termal
(Watt)
(%)
16
7. Buat analisis dari hasil perhitungan mesin stirling
10
MESIN STIRLING
A. Tujuan Penelitian
1. Menganalisa faktor yang berperan dalam unjuk kerja mesin stirling
2. Menentukan efisiensi termal mesin stirling
B. Teori
Mesin Stirling
Mesin stirling merupakan salah satu jenis motor bakar pembakaran eksternal, karena pembakaran
dilakukan di luar mesin, berbeda dari mesin Diesel atau mesin Otto. Mesin stirling ditemukan oleh Dr.
Robert Stirling pada tahun 1816. Mesin stirling memiliki dua reservoir yang dijaga agar memiliki beda
temperatur yang cukup besar. Mesin stirling menggunakan siklus regeneratif tertutup, di mana fluida
kerja akan terkompresi atau terekspansi pada reservoir yang terpisah[3].
Gambar 1. Mesin Stirling dan Komponennya [5]
Mesin stirling pada dasarnya adalah mesin udara panas yang dikembangkan awal abad 19. Mesin
stirling berbasis pada prinsip udara yang berekspansi jika dipanaskan dan menyusut jika didinginkan.
Namun, pada perkembangannya mesin ini kalah bersaing dengan mesin Otto atau mesin Diesel karena
tenaga yang dihasilkan lebih kecil daripada kedua mesin tersebut. Namun, mesin stirling saat ini
menjadi alternatif mesin penggerak karena kelebihannya dapat menggunakan berbagai jenis sumber
panas dan ramah lingkungan. Mesin stirling terdiri dari beberapa bagian, seperti dua buah silinder
1
berisi piston, yaitu piston displacer sebagai piston dengan suhu tinggi dan piston daya yang merupakan
piston suhu rendah, torak piston, heatsink dan poros engkol atau flywheel seperti ditunjukkan pada
Gambar 1.
1. Displacer
Displacer merupakan piston yang berada di silinder displacer. Kegunaan dari displacer adalah
untuk memindahkan fluida kerja yang sudah dipanaskan dan mendorong displacer ke piston daya.
Karena adanya heatsink pada mesin menciptakan dua reservoir pada mesin stirling, yaitu reservoir
panas dan reservoir dingin. Pada Gambar 2.3, reservoir panas ditunjukkan dengan silinder yang
dilingkupi warna merah dan reservoir panas ditunjukkan dengan silinder yang dilingkupi warna biru.
Reservoir ini menempati volume yang penting pada mesin stirling. Peran dari displacer adalah untuk
memindahkan fluida kerja secara bolak-balik pada kedua reservoir tersebut. Sehingga secara terus
menerus mendinginkan dan memanaskan fluida kerja dan menghasilkan pemuaian dan penyusutan
fluida kerja supaya mesin stirling dapat beroperasi[4].
Karakteristik ideal dari displacer adalah terbuat dari bahan yang ringan sehingga dapat dipercepat
atau diperlambat secara cepat tanpa mengambil banyak daya mesin, kemudian dibuat dari bahan
dengan konduktivitas termal sekecil mungkin untuk menghindari penyerapan dan pelepasan panas oleh
piston displacer sendiri, kemudian harus terbuat dari bahan yang kuat dan memiliki gesekan yang
minimal dengan dinding silinder[4].
Sebagian besar mesin stirling menggunakan displacer yang tidak berbentuk seperti piston pada
umumnya. Salah satu perbedaan yang signifikan antara displacer dengan piston biasa adalah displacer
biasanya didesain longgar, tidak seperti piston biasa yang dibuat serapat mungkin dengan dinding
piston. Hal ini bertujuan untuk memberikan ruang bagi fluida kerja untuk berpindah ke silinder dingin
ketika piston displacer bergerak menekan fluida kerja.
Penggunaan displacer sebenarnya bergantung pada jenis mesin stirling yang akan dirancang.
Displacer biasanya digunakan pada mesin stirling jenis beta dan gamma. Sementara pada mesin
stirling jenis alfa tidak menggunakan displacer, melainkan memakai dua piston daya biasa karena
antara silinder displacer dengan silinder dingin terhubung tidak secara langsung, melainkan
menggunakan pipa.
2. Piston Daya
Piston daya ini memiliki struktur yang sama dengan piston pada mesin pembakaran internal.
Memiliki fungsi untuk meneruskan daya akibat tekanan yang bekerja pada permukaan atas piston ke
poros engkol pada mesin. Piston bergerak naik dan turun di dalam silinder yang tidak mendapat
sumber panas atau dikenal sebagai silinder dingin dan berbeda dengan displacer, piston daya didesain
serapat mungkin dengan dinding silinder dengan menambah ring piston yang terbuat dari karet yag
2
mudah memuai ketika panas sehingga mencegah fluida kerja bocor dari sistem dan menurunkan
tekanan kerja pada silinder[4].
Piston daya harus terbuat dari bahan yang seringan mungkin. Selain itu, celah antara piston
dengan dinding silinder harus dibuat serapat mungkin dengan menggunakan ring piston yang dibuat
dari logam, karet, atau bahan lain yang sesuai. Untuk kasus tertentu, pelumasan dengan oli diperlukan
untuk merapatkan celah antara piston dengan dinding silinder dan mengurangi gesekan ketika piston
bergerak. Pelumas yang digunakan juga harus memiliki tingkat penguapan yang rendah sehingga
ketika mesin beroperasi, pelumas tidak menguap dan menambah gesekan pada mesin[4].
3. Torak Piston
Torak piston merupakan batang yang menghubungkan antara displacer atau piston daya dengan
flywheel. Fungsi dari torak piston adalah meneruskan daya dari dorongan piston ke flywheel[4].
Flywheel merupakan perangkat pada mesin stirling yang berbentuk seperti roda. Fungsi dari perangkat
ini adalah mengkonversi gerak pada piston menjadi gerak putaran. Flywheel ini dapat dihubungkan
dengan pompa atau generator[4].
4. Fluida Kerja
Salah satu komponen penting pada mesin stirling adalah fluida kerja. Fluida kerja yang
digunakan berupa gas yang mengisi volume mesin stirling. Pemilihan fluida kerja yang digunakan
memegang peranan penting terhadap unjuk kerja mesin stirling. Mesin stiring akan memiliki kerja
yang maksimal jika fluida kerja yang digunakan adalah gas yang massanya lebih ringan daripada
udara. Karena gas yang massanya lebih ringan dari udara memiliki viskositas yang rendah, sehingga
menghasilkan rugi aliran yang rendah, selain itu memiliki kalor spesifik Cp yang rendah[5]. Pilihan
lain adalah menggunakan fluida kerja organik, karena fluida kerja organik memiliki titik didih yang
lebih rendah daripada udara sehingga untuk membentuk fluida bertekanan tidak memerlukan suhu
yang tinggi seperti pada halnya udara biasa.
Dalam mesin stirling yang digunakan dalam penelitian ini adalah mesin stirling dengan fluida
kerja udara, sejumlah fluida kerja dimasukkan ke dalam mesin dengan perbedaan temperatur
diaplikasikan pada kedua piston. Ketika silinder displacer dipanaskan, maka fluida kerja di dalamnya
akan berekspansi dan mendorong piston displacer. Di sisi lain, silinder dingin yang berisi piston daya
yang pergerakannya terkopel dengan displacer melalui poros engkol. Ketika displacer bergerak naik
udara akan didorong menuju silinder dingin untuk diturunkan suhunya melewati regenerator yang akan
menyerap sebagian panas udara dan ketika udara dari silinder dingin didorong kembali ke silinder
displacer, panas pada regenerator diserap udara dan meningkatkan suhunya agar tercapai efisiensi
termal maksimum.
Mesin stirling memiliki kelebihan seperti pengoperasiannya yang lebih tenang daripada mesin
pembakaran internal. Kemudian, mesin stirling dapat beroperasi dengan semua jenis bahan bakar fosil,
3
bahkan dapat menggunakan panas matahari. Namun, di sisi lain, mesin stirling memerlukan waktu
yang cukup lama agar dapat beroperasi dengan optimal dari keadaan diam.
Mesin Stirling Tipe Gamma
Mesin stirling gamma memiliki piston kompresi dan piston yang terpisah, namun torak piston
tetap terhubung dengan satu poros engkol. Gas di dalam silinder dapat bergerak bebas melalui celah di
antara kedua silinder sehingga dapat membentuk sistem tunggal seperti tipe beta walaupun silindernya
terpisah. Mesin stirling tipe gamma masih memiliki struktur yang dapat dipisahkan[6]. Mesin stirling
tipe gamma ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Mesin stirling tipe gamma[5]
Siklus Stirling
Mesin stirling bekerja dengan menggunakan siklus stirling. Siklus Stirling terdiri dari dua proses
isothermal dan proses isokhorik. Siklus ini bersifat reversibel. Siklus stirling dapat ditunjukkan pada
Gambar 3.
(a)
(b)
Gambar 3. (a) Diagram P-v Siklus Stirling
(b) Keadaan Mesin Pada Setiap Proses
4
Proses dalam siklus stirling pada Gambar 3 dapat dijelaskan sebagai berikut:
1. Proses 1-2, proses kompresi isotermal T1. Salah satu piston menekan fluida kerja sementara
piston yang lain dalam kondisi stasioner sehingga volume berubah dari V 1 menjadi V2. Hal ini
meningkatkan tekanan dari P1 menjadi P2 dalam kondisi suhu tetap. Sehingga kalor yang
dilepas pada tahap ini dinyatakan dalam Persamaan 1.
W 1−2=m . R . T 1 . ln
V2
V1
(1)
Di mana m adalah massa fluida kerja di dalam mesin, R adalah tetapan gas ideal, T1 adalah
suhu pada silinder daya.
2. Proses 2-3, proses transfer kalor isokhorik. Kedua piston bergerak dengan arah yang
berlawanan untuk membuat fluida terekspansi dan menaikkan suhunya dari T2 menjadi T3 dan
melewati regenerator. Kalor yang dilepas regenerator dinyatakan dalam persamaan 2.
Q2−3=m .C v .(T 3 −T 2 )
(2)
Di mana Cv adalah kapasitas kalor fluida kerja yang digunakan, T3 adalah suhu pada silinder
displacer di mana T3 = T4 dan T2 = T1.
2. Proses 3-4, proses ekspansi isotermal. Fluida kerja yang terekspansi dari V 3 menjadi V4
menggerakan piston dengan suhu tetap dari sumber panas eksternal. Di sini, V 3 = V2 dan V4 =
V1. Kalor yang diserap pada tahap ini dinyatakan dalam persamaan 3.
W 3−4 =m. R . T 3 . ln
V3
V4
(3)
Di mana T3 adalah suhu pada displacer, R adala tetapan gas ideal, dan m adalah massa fluida
kerja.
3. Proses 4-1, proses transfer energi isokhorik. Kebalikan dari proses 2-3, yaitu untuk membuat
fluida terkompresi dan menurunkan suhunya dari T4 menjadi T1. Kalor yang diserap regenerator
pada tahap ini sebesar.
Q4−1=m. C v .(T 1−T 4 )
(4)
Di mana Cv adalah kapasitas kalor fluida kerja, m adalah massa fluida kerja
Sehingga dari perumusan di atas dapat diperoleh efisiensi termal mesin stirling dituliskan dalam
persamaan 5.
η=
W out W 3−4−W 1−2
=
=
W 3− 4
W 3−4
m. R . ln
V2
(T 3−T 1 )
V1
( )
( )
V2
m . R . ln
(T 3)
V1
Kolektor Surya Parabola
5
=1−
T1
T3
(5)
Parabola cermin reflektor adalah permukaan reflektif yang digunakan untuk mengumpulkan atau
energi proyek seperti cahaya atau gelombang elektromagnetik. Bentuk dari paraboloid melingkar, yaitu
permukaan yang dihasilkan oleh parabola berputar di sekitar fokusnya. Reflektor parabola mengubah
gelombang datang yang sejajar, kemudian dipantulkan ke titik fokus pada parabola[8]. Gambar
parabola ditunjukkan pada Gambar 5.
Dalam sistem ini, kolektor surya berfungsi sebagai sumber panas yang dikumpulkan dari
matahari. Panas yang dikumpulkan digunakan untuk memanaskan displacer sehingga udara di
dalamnya memuai dan menggerakkan piston daya. Kalor efektif yang diterima dari kolektor surya oleh
mesin adalah sejumlah kalor yang dipakai sehingga fluida kerja terekspansi, yaitu sesuai dengan
persamaan (3). Penggunaan solar kolektor di Indonesia sangat potensial. Hal ini karena Indonesia
memiliki intensitas rata-rata sebesar 4,8 kW/m2 [8]. Sehingga energi matahari dapat dimanfaatkan
untuk menggerakkan mesin stirling.
Gambar 5. Kolektor Surya Jenis Parabola
III. Alat Penunjang
Untuk menunjang pengambilan data digunakan alat-alat sebagai berikut
1. Termometer laser
Untuk mengukur suhu sisi panas dan silinder daya mesin
2. Luxmeter
Untuk mengukur intensitas datang matahari
3. Stopwatch
Mengukur waktu putaran mesin
IV. Prosedur Percobaan
A. Menghitung volume maksimum dan minimum silinder displacer dan silinder daya.
1. Mengukur dimensi mesin stirling sesuai dengan tabel berikut.
6
Tabel 1. Spesifikasi Dimensi Mesin Stirling
Dimensi
Diameter silinder displacer (Dd)
Panjang maksimum ruang silinder displacer (hd maks)
Panjang minimum ruang silinder displacer (hd min)
Diameter silinder daya (Dc)
Panjang ruang minimum silinder daya (hc min)
Panjang ruang maksimal silinder daya (hc maks)
Ukuran (cm)
Hitung volume silinder maksimum dan minimum untuk silinder displacer dan silinder daya
dengan perumusan berikut.
1
2
V d maks = . π . D d .h d maks
4
1
V d min = . π . Dd 2 . hd min
4
Volume piston daya didapat sebagai berikut:
1
V c maks= . π . Dc 2 . hc maks
4
1
V c min = . π . D c2 . hc min
4
Tabel 2. Tabel Spesifikasi Kolektor Surya
Spesifikasi
Jenis Reflektor
Diameter Efektif
Jarak Fokus
Luas Reflektor Efektif
Bahan Reflektor
Jenis/Ukuran
Parabola
80 cm
51 cm
4.925 cm2
Cermin
2. Menghitung massa molar fluida kerja ditentukan dengan membandingkan volume fluida kerja
maksimal yang berada di silinder daya dengan volume udara dalam keadaan suhu dan tekanan
standar[7].
n=
V c maks
Vc maks
=
V STP 0,02214 m3
Prosedur Pengukuran
Mesin stirling dikondisikan mendapat fokus berkas matahari yang maksimal dengan
memposisikan kolektor tegak lurus dengan arah datang sinar matahari. Pengukuran intensitas
datang matahari dengan menggunakan luxmeter yang diletakkan di permukaan kolektor surya.
Kemudian pengukuran putaran flywheel dengan menggunakan stopwatch . Kemudian pengukuran
7
suhu displacer dan suhu silinder daya menggunakan termometer laser seperti ditunjukkan pada
Gambar 6.
Gambar 6. Prosedur Pengujian Dengan Menggunakan Kolektor Surya
3. Pengambilan data terhadap mesin stirling sesuai dengan table data berikut.
Tabel 2. Tabel Data Mesin Stirling
No
.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Waktu
(menit)
T displacer
(oC)
T silinder daya
(oC)
RPM
Intensitas
(kLux)
4. Menghitung Usaha Ekspansi dan Usaha Kompresi
Usaha ekspansi dan usaha kompresi dapat diketahui dengan mencari terlebih dahulu jumlah
molar gas yang berada di dalam silinder daya dengan pendekatan gas ideal. Kemudian dapat
dilakukan perhitungan terhadap usaha yang dihasilkan dalam proses ekspansi dan usaha yang
dibutuhkan dalam proses kompresi sebagai berikut
8
W e =n . R .T h . ln
V c maks
V c min
W c =n . R .T c . ln
V c min
V c maks
5. Menghitung Usaha Total Mesin, Daya Mesin, dan Efisiensi Termal Mesin
Usaha mesin, daya mesin, dan efisiensi termal mesin berturut-turut dapat dihitung
menggunakan rumus berikut.
W = We + Wc
P = W.n
W= Usaha Total Mesin per siklus
n = Putaran mesin per detik (RPS)
ɳ=
W
We
x100%
6. Menghitung Daya Input Matahari
Daya matahari dapat dihitung jika intensitas matahari dan luasan kolektor surya diketahui
dan dapat dihitung efisiensi kolektor menggunakan faktor konversi 1 lux = 0,0079 W/m 2[8].
Didapat hasil sebagai berikut:
Pmatahari = I.Akolektor
I = Intensitas matahari
Akolektor = Luasan kolektor
Tabel 3. Hasil Perhitungan Mesin Stirling
No
.
Waktu
(menit)
T
displace
r (K)
T
silinder
daya(K
)
RPS
Intensita
s (W/m2)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
9
∆T
(oC)
W
(Joule
)
P
input
(Watt)
P
Efisiensi
mesin termal
(Watt)
(%)
16
7. Buat analisis dari hasil perhitungan mesin stirling
10