KARAKTERISTIK MOTOR STIRLING PISTON BEBAS BERPENDINGIN UDARA DENGAN SATU PEGAS TUGAS AKHIR - Karakteristik motor stirling piston bebas berpendingin udara dengan satu pegas - USD Repository

KARAKTERISTIK MOTOR STIRLING PISTON BEBAS BERPENDINGIN UDARA DENGAN SATU PEGAS TUGAS AKHIR

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Program Studi Teknik Mesin Diajukan Oleh:

DENNY CHRISTIAN NIM : 095214014

Kepada

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

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

THE CHARACTERISTIC OF AIR COOLED FREE PISTON

STIRLING ENGINE WITH SINGLE SPRING

FINAL PROJECT

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

In Mechanical Engineering Study Program By :

DENNY CHRISTIAN NIM : 095214014

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2011

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

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

Yogyakarta, 22 September 2011 Denny Christian PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI

KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Yang bertanda tangan dibawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma : Nama : Denny Christian Nomor Mahasiswa : 095214014 Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah dengan judul :

KARAKTERISTIK MOTOR STIRLING PISTON BEBAS

BERPENDINGIN UDARA DENGAN SATU PEGAS

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

Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya. Dibuat di Yogyakarta Pada tanggal : 22 September 2011 Yang menyatakan Denny Christian

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

INTISARI

Energi mempunyai peranan penting dalam berbagai kegiatan manusia.

Hampir semua kebutuhan manusia didukung dengan penggunaan sumber energi fosil. Mesin-mesin kendaraan, mesin pompa, mesin pembangkit listrik (genset), tidak lepas dari penggunaan energi fosil. Dalam waktu jangka panjang hal ini mengakibatkan persediaan sumber energi tersebut semakin menipis. Menanggapi situasi ini perlu dikembangkan alternatif-alternatif sebagai langkah untuk menekan konsumsi penggunaan energi tersebut. Penggunaan motor stirling dapat menjadi salah satu alternatif kerena hanya memerlukan energi panas untuk menghasilkan daya.

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

Model stirling piston bebas ini menggunakan spiritus sebagai sumber energi termal. Komponen utama yang digunakan terdiri dari bahan bahan yang mudah didapat di pasaran, seperti silinder stainless steel Ø250 x 49 mm sebagai silinder. Silinder aluminium Ø 220 x 41 mm sebagai displacer, pegas dengan panjang 270 mm dan silikon sebagai membran. Model alat yang dibuat memiliki dimensi utama 350 x 350 x 800 mm. Variasi yang dilakukan pada stirling piston bebas ini adalah variasi pada penambahan beban pada displacer dan variasi ketinggian

displacer dari sisi panas.

Dari hasil perancangan model stirling piston bebas didapatkan daya maksimal sebesar 3,8 mWatt dengan efisiensi 24,99 % pada kondisi ketinggian

displacer 0 mm (panjang pegas 320 mm), tanpa beban displacer (variasi 2).

Sedangkan efisiensi maksimal yang dihasilkan sebesar 29,61 % dengan daya 0,3 mWatt pada kondisi ketinggian displacer 0 mm (panjang pegas 305 mm), dengan beban displacer 50 gr (variasi 1). Kata Kunci : Stirling Piston Bebas, Energi Panas, Daya, Efisiensi

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Allah Bapa di Surga yang Maha Kuasa dan Kekal atas segala berkah dan anugerah-Nya sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan. Tugas akhir ini merupakan salah satu syaratan untuk mencapai derajat sarjana S-1 program studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.

Penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir dengan judul

“Karakteristik

Motor Stirling Piston Bebas Berpendingin Udara Dengan Satu Pegas ” ini karena

adanya bantuan dan kerjasama dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada:

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

2. Bapak Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin.

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

4. Bapak Doddy Purwadianto S.T., M.T selaku Dosen Pembimbing Akademik.

5. Seluruh staf pengajar Jurusan Teknik Mesin yang telah memberikan materi selama kuliah di Universitas Sanata Dharma.

6. Laboran khususnya Ag. Rony Windaryawan yang telah membantu memberikan ijin dalam penggunakan fasilitas yang diperlukan dalam penelitian ini.

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 7.

Orang tua yang telah membiayai dan memotivasi penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir.

8. Rekan sekelompok penulis yaitu Ronald Udo Saliem, dan Febritya Christ

Sujatmoko, yang telah membantu dalam perancangan, pembuatan, perbaikan alat dan pengambilan data.

Penulis telah berusaha semaksimal mungkin untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini, namun sebagai manusia tentunya penulis juga menyadari bahwa yang penulis kerjakan masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penulis mohon maaf atas segala kekurangan dan kesalahan yang terdapat dalam penyusunan Tugas Akhir ini. Saran serta kritik yang membangun dari pembaca sangat penulis harapkan demi penyempurnaan isi dan susunan laporan ini.

Penulis berharap semoga Tugas Akhir yang telah penulis susun ini dapat memberikan manfaat bagi para pembaca.

Yogyakarta, 22 September 2011 Penulis

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ........................................................................................ i

TITLE PAGE .................................................................................................. ii

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

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

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

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

INTISARI ...................................................................................................... vii

KATA PENGANTAR .................................................................................. viii

DAFTAR ISI .................................................................................................... x

DAFTAR TABEL ......................................................................................... xii

DAFTAR GAMBAR .................................................................................... xiv

BAB I. PENDAHULUAN ............................................................................... 1

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

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

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

1.4 Manfaat .............................................................................................. 3

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA .................................................................... 5

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

2.1 Dasar Teori ......................................................................................... 5

2.2 Penelitian Yang Pernah Dilakukan ................................................... 10

2.3 Rumus Yang Digunakan .................................................................. 11

BAB III. METODE PENELITIAN .............................................................. 14

3.1 Skema Alat Penelitian ....................................................................... 14

3.2 Prinsip Kerja Alat ............................................................................ 18

3.3 Variabel Yang Diukur ...................................................................... 18

3.4 Variabel Yang Divariasikan ............................................................. 20

3.5 Metode Langkah Pengambilan Data ................................................. 21

3.6 Analisa Data .................................................................................... 23

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

4.1 Data Penelitian ................................................................................. 25

4.2 Perhitungan dan Pembahasan ........................................................... 28

BAB V. PENUTUP ........................................................................................ 41

5.1 Kesimpulan ...................................................................................... 41

5.2 Saran ................................................................................................ 41

DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................... 43

LAMPIRAN ................................................................................................... 44

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data variasi pertama ketinggian displacer 0 mm, (panjang pegas 305 mm), tanpa beban ..................................................... 25Tabel 4.2 Data variasi kedua ketinggian displacer 0 mm, (panjang pegas 320 mm), beban displacer 50 gr ...................................... 26Tabel 4.3 Data variasi ketiga ketinggian displacer 1 mm, (panjang pegas 325 mm), beban displacer 50 gr ...................................... 26Tabel 4.4 Data variasi keempat ketinggian displacer 2,5 mm, (panjang pegas 328 mm), beban displacer 50 gr ...................................... 27Tabel 4.5 Data variasi kelima ketinggian displacer 0,4 mm, (panjang pegas 330 mm), beban displacer 50 gr ...................................... 27Tabel 4.6 Hasil perhitungan variasi pertama ketinggian displacer 0 mm,

(panjang pegas 305 mm), tanpa beban displacer ....................... 31

Tabel 4.7 Hasil perhitungan variasi kedua ketinggian displacer 0 mm,

(panjang pegas 320 mm), beban displacer 50 gr ....................... 31

Tabel 4.8 Hasil perhitungan variasi ketiga ketinggian displacer 1 mm,

(panjang pegas 325 mm), beban displacer 50 gr ....................... 32

Tabel 4.9 Hasil perhitungan variasi keempat ketinggian displacer 2,5 mm, (panjang pegas 328 mm), beban displacer 50 gr ................ 32

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

Tabel 4.10 Hasil perhitungan kelima ketinggian displacer 0,4 mm,

(panjang pegas 330 mm), beban displacer 50 gr ........................ 33

DAFTAR GAMBAR

Gambar 3.5 Ilustrasi pengukuran panjang osilasi .......................................... 19Gambar 4.5 Hubungan efisiensi dengan waktu ............................................. 39Gambar 4.4 Hubungan daya dengan beda temperatur ................................... 38Gambar 4.3 Hubungan daya dengan waktu ................................................... 36Gambar 4.2 Hubungan beda temperatur dengan waktu ................................. 35Gambar 4.1 Hubungan temperatur tiap sisi dengan waktu ............................. 34Gambar 3.7 Ilustrasi variasi penambahan beban ........................................... 21Gambar 3.6 Ilustrasi variasi ketinggian displacer ......................................... 20Gambar 3.4 Ilustrasi pengukuran suhu .......................................................... 19Gambar 2.1 Siklus stirling .............................................................................. 5Gambar 3.3 Model konstruksi alat penelitian ................................................ 16Gambar 3.2 Model konstruksi membran ....................................................... 15Gambar 3.1 Model konstruksi alat penelitian ................................................ 14Gambar 2.5 Skema stirling free piston ............................................................ 9Gambar 2.4 Skema stirling tipe gamma .......................................................... 8Gambar 2.3 Skema stirling tipe beta .............................................................. 8Gambar 2.2 Skema stirling tipe alpha ............................................................. 7

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

Gambar 4.6 Hubungan efisiensi dengan beda temperatur .............................. 40

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Energi memiliki peranan penting dalam kehidupan manusia dan dalam proses pembangunan serta merupakan pendukung bagi kegiatan ekonomi. Penggunaan energi di Indonesia meningkat pesat seiring dengan bertambahnya penduduk dan pertumbuhan ekonomi. Sedangkan energi yang handal dan terjangkau merupakan syarat utama untuk meningkatkan standar hidup masyarakat. Untuk memenuhi kebutuhan energi yang terus meningkat, maka perlu dikembangkan berbagai energi alternatif seperti energi terbarukan mengingat potensi energi di Indonesia tidaklah sedikit.

Potensi energi terbarukan misalnya seperti: biomassa, energi surya, energi angin, energi air, dan lainnya sampai saat ini belum banyak dimanfaatkan.

Secara umum, masyarakat mengenal sumber penggerak untuk pembangkitan listrik, pemompaan air, penggerak mesin padi, genset, dihasilkan dari motor - motor yang menggunakan sumber energi fosil. Salah satu contohnya adalah motor diesel yang sangat populer di masyarakat. Sebenarnya masih ada teknologi lain sebagai alternatif sumber penggerak yang dapat di aplikasikan pada kehidupan sehari

– hari. Salah satu contohnya adalah Stirling Engine (motor stirling) yang ditemukan oleh Robert Stirling (1790-1878) pada tahun 1816.

2 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI Teknologi motor ini sudah tercipta sejak lama, namun ditinggalkan karena dianggap tidak efisien dan kurang kompetitif dari segi daya dibandingkan dengan motor - motor yang ada saat ini. Tetapi, dalam menghadapi situasi energi yang semakin tipis, teknologi tersebut mulai mendapat perhatian kembali.

Motor stirling adalah jenis motor yang memiliki ciri pembakaran luar (external combustion engine) . Tidak memerlukan banyak pemeliharaan atau perawatan, dan tidak banyak mengeluarkan polutan karena hanya membutuhkan sumber energi termal untuk menggerakkannya. Atau dengan kata lain multi bahan bakar, bahkan energi matahari pun bisa dimanfaatkan.

1.2 Batasan Masalah

Pada tugas akhir ini akan diteliti mengenai karakteristik yang dihasilkan motor stirling jenis piston bebas. Dipilihnya stirling piston bebas ini dengan alasan bahwa jenis ini merupakan jenis stirling yang sederhana, terdiri dari komponen - komponen yang mudah didapat dan tidak perlu menggunakan teknologi tinggi dalam pembuatannya. Sehingga mampu dilakukan oleh bengkel

– bengkel lokal untuk pengembangan lebih lanjut.

Dalam penelitian ini digunakan beberapa batasan sebagai berikut:

3 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI a.

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

3 b.

dan tidak Masa jenis (ρ) air yang digunakan adalah 1000 kg/m mengalami perubahan sama sekali.

2 c.

. Nilai gravitasi yang digunakan untuk perhitungan adalah 9,8 m/detik d.

Rugi – rugi yang disebabkan gesekan antara pegas dan batang displacer , kebocoran dalam skala kecil, diabaikan.

Fluida kerja yang digunakan adalah udara.

1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian antara lain: a. Membuat model motor stirling piston bebas berpendingin udara dengan satu pegas, panjang langkah piston 8 mm.

Meneliti daya (W) maksimal yang dihasilkan.

Meneliti efisiensi (η) maksimal dari stirling piston bebas.

1.4 Manfaat

Manfaat yang akan didapat dari pembuatan tugas akhir ini adalah: a. Menambah kepustakaan tentang motor stirling.

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

4 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI c.

Dapat dikembangkan untuk penelitian selanjutnya sehingga diharapkan dapat diterapkan di masyarakat.

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Dasar Teori

Motor stirling merupakan motor kalor yang mengambil panas dari luar silinder kerjanya untuk dapat bergerak. Sumber panas apapun selama temperaturnya cukup tinggi, bisa digunakan untuk menggerakkan motor stirling. Motor stirling juga merupakan salah satu motor kalor dengan emisi terbersih dan juga termasuk kategori motor dengan pembakaran luar. Motor ini memanfaatkan siklus tertutup regeneratif. Dalam konteks ini, siklus tertutup berarti bahwa fluida kerja secara permanen terkurung di dalam sistem. Regeneratif menunjukkan bahwa adanya penggunaan penukar panas internal, yang dapat meningkatkan efisiensi atau biasa disebut regenerator. Siklus stirling terdiri dari dua proses isotermal dan dua proses volume konstan.

a. Tekanan - Volume

b. Suhu - Entropi

Gambar 2.1 Siklus ideal motor stirling

6 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

a) Proses 1-2 : udara berekspansi secara isotermal (temperatur tetap).

b) Proses 2-3 : udara berpindah menuju sisi dingin melewati regenerator.

c) Proses 3-4 : udara dikompresi secara isotermal.

d) Proses 4-1 : udara dipanaskan pada volume konstan dengan melewatkan udara ke regenerator dalam arah yang berlawanan dengan proses 2-3.

Prinsip kerja dari motor stirling yaitu memanfaatkan sifat udara yang memuai bila dipanaskan dan menyusut bila didinginkan. Fluida yang berada dalam stirling akan mengalami pemuaian dan penyusutan karena terdapat perbedaan temperatur sehingga motor dapat bergerak. Perbedaan temperatur mengakibatkan adanya perbedaan tekanan yang menghasilkan ekspansi dari fluida kerja. Ekspansi ini mengakibatkan piston yang dihubungkan dengan poros engkol akan berpindah dan menjadi kerja mekanik. Poros engkol dihubungkan dengan flywheel agar terjadi siklus selanjutnya.

Secara umun motor stirling dikelompokkan menjadi 3 kelompok besar yaitu Stirling Alpha, Stirling Beta, dan Stirling Gamma.

1. Stirling Tipe Alpha

Stirling tipe ini memiliki dua silinder yang terpisah. Silinder tersebut disebut silinder panas (hot cylinder) dan yang lainnya disebut silinder dingin (cold cylinder).

7 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

a. Sudut poros 0° (Sumber: Urieli 1984)

b. Sudut poros 90° (Sumber: Chan 2008)

Gambar 2.2 Skema stirling alpha 2.

Stirling Tipe Beta Stirling tipe ini memiliki dua piston dalam silinder yang sama dan dihubungkan ke poros engkol yang sama. Salah satu piston berfungsi sebagai piston tenaga, dan yang lain berfungsi sebagai displacer pemindah fluida dari sisi panas ke sisi dingin.

(Sumber: Urieli 1984)

8 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI b.

(Sumber: Urieli 1984)

Gambar 2.3 Skema stirling beta 3.

Stirling Tipe Gamma Stirling ini hampir sama dengan stirling tipe beta yaitu menggunakan displacer dan merupakan penyederhanaan dari tipe beta. Dimana displacer dan piston tenaga berada pada silinder yang berbeda tetapi masih terhubung dalam satu flywheel.

(Sumber: Urieli 1984) b.

(Sumber: Chan 2008)

Gambar 2.4 Skema stirling gamma

9 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI Selain stirling type alpha, beta dan gamma, motor stirling berkembang menjadi beberapa jenis salah satu contoh adalah free piston

stirling engine (stirling piston bebas).

A B C D a.

Displacer, piston tenaga terhubung (Sumber: Gyroscope) b.

Displacer, piston tenaga terpisah (Sumber: Hirata)

Gambar2.5 Skema stirling free piston

Stirling piston bebas memiliki design sangat sederhana. Karena tidak memiliki mekanisme engkol ataupun flywheel seperti pada stirling tipe alpha, beta, maupun gamma. Prinsip kerja dari stirling piston bebas ini adalah :

10 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI A.

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

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

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

Fase ekspansi Suhu udara di dalam motor meningkat maka tekanan udara juga meningkat. Udara memuai dan piston tenaga akan terdorong ke atas. Piston displacer berada di sisi atas dan pemanasan mencapai puncaknya.

2.2 Penelitian yang Pernah Dilakukan

Penelitian mengenai stirling piston bebas sejauh yang penulis ketahui belum banyak dilakukan. Hanya beberapa pengetahuan tentang aplikasi stirling yang didapat dari berbagai sumber sebagai pengembangan dari prinsip stirling.

11 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI Penelitian pompa energi panas berbasis motor stirling dapat secara efektif memompa air dengan variasi head antara 2

– 5 m ( Mahkamov, 2003 ) .

Penelitian lain yang pernah dilakukan seperti dalam Tugas Akhir “Motor Stirling Piston Air Dengan Menggunakan Pendingin” menghasilkan daya maksimun sebesar 0,513 watt pada alat, daya pemompaan maksimum sebesar 0,188 watt, efisiensi fluidine maksimum sebesar 0,171 sedangkan efisiensi pompa maksimum sebesar 4,020.

(Tulistiono, 2006) .

Penelitian tentang “Pemodelan Pompa Air Dengan Penggerak Stirling Piston Air”. Mampu memompa air dengan ketinggian head maksimum 40 cm dengan menghasilkan efisiensi motor stirling sebesar 0,1

– 0,25%, dan efisiensi pompanya maksimum 0,45 %. (Wijaya, 2006).

2.3 Rumus – Rumus Yang Digunakan

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

dengan :

n : jumlah langkah

t : waktu yang diperlukan (detik)

12 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI Kecepatan air yang dipindahkan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

v = f x 2 x h (m/s) (2.2)

dengan :

f : frekuensi (Hz) h : panjang langkah (m)

Volume Air yang Dipindahkan dapat dihitung dengan persamaan :

(m /s) (2.3) = A x v dengan :

` A : luas penampang selang (m )

v : kecepatan osilasi (m/detik)

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

P = ρ x g x h (N/m²)

dengan :

ρ : massa jenis air (kg/m3) g : percepatan grafitasi (m/s²) h : panjang osilasi (m)

Daya pemompaan yang dihasilkan dihitung dengan persamaan :

13 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

W = P x (2.5)

(watt) dengan:

2 P : tekanan yang dihasilkan (N/m )

/s) : Volume Air yang Dipindahkan pada selang osilasi (m

Efisiensi stirling dapat dihitung dengan persamaan (Cengel,2006): × 100 % (2.6)

= 1 − dengan: : temperatur sisi dingin (Kelvin)

: temperatur sisi panas (Kelvin)

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

BAB III METODE PENELITIAN 3.1. Skema Alat Penelitian Model stirling piston bebas yang dibuat terdiri dari beberapa komponen utama yaitu displacer (piston), membran, silinder dan pegas. Sistem osilasi air menggunakan selang waterpas yang dihubungkan pada

bagian sisi dingin dari alat stirling. Motor striling piston bebas ini menggunakan plat besi siku lubang sebagai dudukannya.

3 800 mm

8 350 mm 350 mm

Gambar 3.1 Model konstruksi alat penelitian

15 Keterangan :

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

1. Beban

6. Sisi Panas

2. Pegas

7. Silinder

3. Batang displacer

8. Displacer

4. Membran

9. Rangkai

5. Sisi dingin

10. Selang osilasi

Gambar 3.2 Model konstruksi membran

membran multiplex karet karet karet multiplex

16 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

Gambar 3.3 Model konstruksi alat penelitianGambar 3.1 memperlihatkan model dari alat stirling piston bebas yang telah dibuat. Gambar 3.2 dan 3.3 memperlihatkan susunan membran

serta dimensi dari silinder, displacer dan batang displacer.

Komponen-komponen dari stirling piston bebas terdiri dari beberapa komponen yang mudah didapat dan mudah dikerjakan. pada alat ini menggunakan aluminium sebagai bahannya

Displacer

dengan ukuran Ø220 x 41 mm dan ketebalan dinding 1 mm. Dipilihnya material ini mengingat bahwa displacer harus terbuat dari bahan yang ringan dan tahan terhadap panas. Sehingga saat tekanan di dalam stirling naik, membran yang digunakan mampu untuk mengangkat displacer.

Tidak seperti pada umumya, displacer pada stirling piston bebas ini memiliki celah antara diding silinder bagian dalam. Hal ini dikarenakan jika displacer dibuat sliding dengan dinding silinder bagian dalam, maka

17 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI akan terjadi gesekan yang menghambat laju dari langkah displacer tersebut. Displacer ini hanya berfungsi sebagai pemindah fluida dari sisi panas ke sisi dingin atau sebaliknya.

Membran terbuat dari bahan yang elastis dan tahan terhadap panas.

Pada alat ini digunakan membran dengan susunan seperti pada Gambar 3.2. yang digunakan memiliki angka kekakuan pegas sebesar

Pegas

24,5 (k= 24,5 N/m) dengan panjang normal 270 mm. Pegas ini berfungsi sebagai pembawa displacer dan juga memberikan gaya angkat pada displacer.

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

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

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

Milimeter blok Digunakan untuk mengukur panjang langkah osilasi.

Spiritus Digunakan sebagai sumber energi termal dari pompa.

18 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 3.2.

Prinsip Kerja Alat

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

displacer akan bergerak ke atas (ekspansi). Pergerakan displacer ini menyebabkan udara yang berada di sisi dingin berpindah ke sisi panas.

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

Displacer yang mendapat gaya dorong dari pegas akan bergerak ke

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

3.3. Variabel yang Diukur

Variabel-variabel yang diukur antara lain : a.

Suhu (T) : pada sisi panas (T1), pada sisi dingin (T2).

19 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI T2 T1

Gambar 3.4 Ilustrasi pengukuran suhu b.

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

a. Keadaan air awal b. Keadaan air ketika osilasi

Gambar 3.5 Ilustrasi pengukuran panjang osilasi c.

Jumlah langkah : bahwa 1 kali langkah dihitung saat displacer mencapai titik atas (TMA) / titik mati bawah (TMB). misal 1 kali langkah = TMB

– TMA – TMB

20 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 3.4.

Variabel yang Divariasikan

Variabel yang divariasikan dalam pengujian yaitu: 1.

Posisi ketinggian awal displacer.

Posisi ketinggian awal displacer dari sisi panas antara lain: 0 mm, 1 mm, 2,5 mm, dan 4 mm. Posisi ketinggian displacer juga dipengaruhi oleh kondisi pertambahan panjang pegas.. y ₁ y ₂ y

₁ a.

b. Posisi ketinggian displacer Posisi ketinggian displacer 0 mm dari sisi panas. y mm dari sisi panas.

Gambar 3.6 Ilustrasi variasi ketinggian displacer 2.

Penambahan beban pada batang displacer.

Variasi penambahan beban pada displacer antara lain: 0 gram (tanpa beban), dan 50 gram.

21 a.

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

Tanpa beban

b. Dengan Beban

Gambar 3.7 Ilustrasi variasi penambahan beban

Untuk selanjutnya dari variabel-variabel tersebut digunakan dalam perhitungan untuk mendapatkan daya stirling (W) dan efisiensi stirling (

η stirling).

3.5 Metode dan Langkah Pengambilan Data

Pengambilan data diperoleh melalui percobaan alat. Metode yang dipakai untuk mengumpulkan data yaitu dengan menggunakan metode langsung.

Berikut adalah langkah langkah pengambilan data : A.

Variasi pertama, ketinggian displacer 0 mm, (panjang pegas 305 mm), tanpa beban :

1. Pegas diturunkan, panjang pegas diukur 305 mm.

2. Penambahan beban pada displacer adalah tanpa beban.

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

4. Pemanas mulai dinyalakan.

22 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 5.

Suhu sisi panas dan sisi dingin, panjang langkah osilasi, frekuensi yang dihasilkan stirling piston bebas dicatat setiap 10 menit selama 60 menit.

Variasi kedua, ketinggian displacer 0 mm, (panjang pegas 320 mm), beban displacer 50 gr :

1. Pegas diturunkan, panjang pegas diukur 320 mm.

2. Penambahan beban pada displacer adalah 50gr.

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

4. Pemanas mulai dinyalakan.

5. Suhu sisi panas dan sisi dingin, panjang langkah osilasi, frekuensi yang dihasilkan stirling piston bebas dicatat setiap 10 menit selama 60 menit.

Variasi ketiga, ketinggian displacer 1 mm, (panjang pegas 325 mm), beban displacer 50 gr :

1. Pegas diturunkan, panjang pegas diukur 325 mm.

2. Penambahan beban pada displacer adalah 50 gr.

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

4. Pemanas mulai dinyalakan.

5. Suhu sisi panas dan sisi dingin, panjang langkah osilasi, frekuensi yang dihasilkan stirling piston bebas dicatat setiap 10 menit selama 60 menit.

Variasi keempat, ketinggian displacer 2,5 mm, (panjang pegas 328 mm), beban displacer 50 gr :

23 1.

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

Pegas diturunkan, panjang pegas diukur 328 mm.

2. Penambahan beban pada displacer adalah 50 gr.

3. Posisi ketinggian displacer dari sisi panas adalah 2,5 mm.

4. Pemanas mulai dinyalakan.

5. Suhu sisi panas dan sisi dingin, panjang langkah osilasi, frekuensi yang dihasilkan stirling piston bebas dicatat setiap 10 menit selama 60 menit.

Variasi kelima, ketinggian displacer 4 mm, (panjang pegas 330 mm), beban displacer 50 gr :

1. Pegas diturunkan, panjang pegas diukur 330 mm.

2. Penambahan beban pada displacer adalah 50 gr.

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

4. Pemanas mulai dinyalakan.

5. Suhu sisi panas dan sisi dingin, panjang langkah osilasi, frekuensi yang dihasilkan stirling piston bebas dicatat setiap 10 menit selama 60 menit.

3.6 Analisa Data

Data yang diambil akan dipakai dalam perhitungan. Panjang langkah osilasi (h) dan frekuensi (f) yang didapat dari percobaan digunakan untuk menghitung kecepatan air yang dipindahkan pada selang osilasi (v). Dengan mengetahui hasil perhitungan kecepatan air yang

24 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI dipindahkan, maka dapat dihitung berapa volume air yang dipindahkan (

). Dari tinggi osilasi yang dihasilkan (h) maka dapat dihitung tekanan yang terjadi (P). Dari tekanan dan volume air yang dipindahkan maka dapat dihitung daya (W). Efisiensi (

) stirling dapat dihitung melalui persamaan (2.6). Analisa akan lebih mudah dilakukan dengan membuat grafik hubungan: waktu dengan daya pemompaan dan efisiensi stirling.

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Data Penelitian Data pengujian yang didapat terdiri dari beberapa variasi yang telah dituliskan penulis pada BAB III metode penelitian. Pengambilan data pada percobaan pertama, kondisi panjang pegas

305 mm, ketinggian displacer 0 mm dari sisi panas, tanpa beban. Berikut data yang didapatkan :

Tabel 4.1 Data variasi pertama ketinggian displacer 0 mm, (panjang pegas 305 mm), tanpa beban.

Menit T

1 T

2 Panjang Jumlah Langkah

Ke (°C) (°C) Osilasi Osilasi (cm) (kali)

30,2 28,4 0,0 4 122,1 31,8 3,0 1 10 134,6 39,3 7,5

17 20 136,3 47,4 7,0 26 30 190,4 53,7 9,0 28 40 197,3 58,0 7,0

30 Pada percobaan ini, alat berhenti pada menit ke 40 dan juga karena temperatur pada sisi panas yang terjadi terlalu tinggi dikhawatirkan akan merusak membran.

Pengambilan data pada percobaan kedua, ketinggian displacer 0 mm dari sisi panas, kondisi panjang pegas 320 mm, beban pada displacer 50 gr. Berikut data yang didapatkan:

26 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

Tabel 4.2 Data variasi kedua ketinggian displacer 0 mm, (panjang pegas 320 mm), beban displacer 50 gr.

Menit T T Panjang Jumlah langkah

Ke (°C) (°C) Osilasi Osilasi

(cm) (kali) 40,0 37,2 0,0 1 53,0 36,0 2,5

1 10 79,5 44,3 11,0 41 20 135,0 50,7 17,5 43 30 174,3 62,5 20,0 41 40 178,6 65,9 18,0 38 50 183,0 70,4 17,5 34 60 177,0 68,0 16,0

37 Pengambilan data pada percobaan ketiga, ketinggian displacer 1 mm dari sisi panas, kondisi panjang pegas 325 mm, beban pada displacer 50 gr. Berikut data yang didapatkan:

Tabel 4.3 Data variasi ketiga ketinggian displacer 1 mm, (panjang pegas 325mm), beban displacer 50 gr.

Menit T

1 T

2 Panjang Jumlah langkah

Ke (°C) (°C) Osilasi Osilasi (cm) (kali)

32,7 31,4 0,0 3 63,0 31,5 2,0 1 10 83,4 42,1 10,5

43 20 90,2 47,3 9,5 48 30 96,7 49,7 8,5 50 40 107,1 50,4 8,5 50 50 112,0 51,0 8,5 49 60 115,8 51,4 8,3

27 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI Pengambilan data pada percobaan keempat, ketinggian displacer

2,5 mm dari sisi panas, kondisi panjang pegas 328 mm, beban pada

displacer 50 gr. Berikut data yang didapatkan:

Tabel 4.4 Data variasi keempat ketinggian displacer 2,5 mm, (panjang pegas 328mm), beban displacer 50 gr.

Menit T

1 T

2 Panjang Jumlah langkah

Ke (°C) (°C) Osilasi Osilasi (cm) (kali)

33,9 32,5 0,0 3 100,8 33,5 6,0 1 10 136,4 43,6 10,0

31 20 150,8 49,6 10,0 44 30 145,6 50,9 9,5 45 40 144,0 51,8 8,5 46 50 151,0 53,0 8,0 48 60 153,1 54,0 7,5

45 Pengambilan data pada percobaan kelima, ketinggian displacer 0,4 mm dari sisi panas, kondisi panjang pegas 330 mm, beban pada displacer 50 gr. Berikut data yang didapatkan :

Tabel 4.5 Data variasi kelima ketinggian displacer 0,4 mm, (panjang pegas 330mm), beban displacer 50 gr.

Menit T

1 T

2 Panjang Jumlah langkah

Ke (°C) (°C) Osilasi Osilasi (cm) (kali)

29,9 28,8 0,0 5 113,0 33,0 3,0 1 10 122,7 39,5 9,8

19 20 125,1 46,4 9,5 46 30 127,7 49,2 8,8 47 40 132,5 50,0 8,3 47 50 142,2 50,7 7,8 49 60 128,0 49,6 7,0

28 4.2.

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

Berikut ini adalah contoh perhitungan yang digunakan untuk menghitung data percobaan dari variasi pertama hingga variasi kelima.

Contoh perhitungan diambil dari data 4.1 pada menit ke sepuluh. Jumlah langkah osilasi yang terjadi adalah 17 kali, maka frekuensi yang dihasilkan adalah :

= =

10×60

= 0,028 : banyak langkah osilasi : waktu yang diperlukan (s)

Karena frekuensi didapat 0,02833 maka kecepatan air yang dipindahkan pada selang osilasi didapat : = × 2 × = 0,028 × 2 ×

Perhitungan dan Pembahasan

= 0,004250 = 42,5 × 10

−4

: frekuensi : panjang langkah osilasi (m)

Volume air yang dipindahkan dihitung dengan : = × =

7,5 100

29 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

0,0095 × 0,004250 =

= 0,000000302

3 −6

= 0,30 × 10 : luas penampang selang osilasi (m²) : kecepatan alir air (m/s)

3 Tekanan yang dihasilkan dapat dihitung dengan  sebesar 1000 kg/m dan

g sebesar 9,8 m/s = × ×

× 0,075 = 1000 × 9,8

= 735,75

= 735,75 : Masa jenis air (kg/m³) : Panjang osilasi (m) : Gaya gravitasi (m/s²)

Sedangkan daya didapatkan : = ×

× 0,0000003027 m

s = 735,75

30 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI = 0,0002227 = 0,0002227

−6

= 222,7 × 10 )

: Tekanan (

KARAKTERISTIK MOTOR STIRLING PISTON BEBAS BERPENDINGIN UDARA DENGAN SATU PEGAS TUGAS AKHIR - Karakteristik motor stirling piston bebas berpendingin udara dengan satu pegas - USD Repository