BAB II TINJAUAN PUSTAKA
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 gas akan mengalami pemampatan. Sebagai hasilnya temperatur dari partikel gas akan meningkat. Dan pada tahap yang berikutnya, ketika gas mengembang
temperatur akan berkurang dengan seketika. Suatu partikel gas yang dimampatkan cenderung melepaskan panas ke lingkungan, sedangkan saat mengembang gas akan menyerap panas dari lingkungannya. Karakteristik ini penting untuk mesin termoakustik sebab dengan cara ini panas dapat pindahkan dari satu ruang ke ruang yang lain.
Gambar 2.2 Siklus termoakustik
Dimulai pada saat tekanan minimum ( t=0) gas akan dimampatkan oleh gelombang suara. Pada saat perjalanan gelombang, perubahan dari gas adalah seperempat dari satu periode di belakang amplitudo tekanan. Dari sini gas mulai memampat (t=0) atau masih dalam posisi seimbang atau netral (Uo). Selama kompresi gas bergerak ke yang kiri (-U). Karena ada pemindahan kalor yang maksimal (isothermal propagation) kalor (Qw) dilepaskan ke regenerator (sebelah
7
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.
Suatu kolom gas ber gerak maju mundur di area sempit pada resonator (gambar diatas). Sebagai hasilnya, tekanan pada kedua ujungnya bervariasi
dengan fungsi kebalikan, menciptakan kompresi dan ekspansi pada gas yang periodik. Fungsi dari resonator dapat dibandingkan dengan roda gila pada motor konvensional (ASTER, 2000-2011).
Regenerator
Selama terjadi siklus termodinamika regenerator akan menyerap kalor pada setengah siklus dan akan melepaskan panas ini pada setengah siklus yang lain. Syarat utama dari regenerator adalah materialnya bersifat konduktor panas. Kemampuan untuk menyerap dan melepas panas juga harus baik ( konstan terhadap waktu saat mengalami perubahan suhu). Hal ini akan membuat efisiensi lebih maksimal jika waktu yang dibutuhkan regenerator untuk menyerap dan melepas panas lebih kecil daripada waktu siklus termodinamika dan juga regenerator ini tidak boleh menghambat aliran gas. Material yang sesuai kriteria diatas antara lain steelwool, metal gauze atau metal foam, dan aluminium.
Gambar 2.4 Material regenerator dari steelwool
9
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.
11
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)
V = volume perbedaan tinggi kolom air (m3)
f = frekuensi (Hz)
Dilihat secara analisis dimensional :
13
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. ΔT/Δt ( 2.4 ) Pada Persamaan (2.4) m = massa air (kg) Cp = ΔT = perbedaan temperature (o C)
Δt = perbedaan waktu (second)
Persamaan (2.4) merupakan pendekatan untuk mencari daya rata – rata dari spiritus. Dengan asumsi rugi – rugi akibat hilangnya kalor ke lingkungan dianggap tidak ada, dan juga kalor yang diserap oleh bejana dianggap tidak ada.
14