commit to user
2.4 MODEL PENELITIAN
Suatu benda memiliki sistem yang menempel dan bekerja pada benda tersebut. Dalam hal ini mesin stirling memiliki sistem yang hampir sama dengan sistem mesin Carnot dimana menggunakan fenomena isotermal dan isokhorik untuk mesin dapat bekerja. Mesin stirling menggunakan sumber energi dalam bentuk kalor atau panas yang berasal dari luar mesin tersebut, sehingga banyak variabel yang mempengaruhi mesin tersebut akan bergerak atau tidak.
Sebelum membahas pada variabel yang berpengaruh, maka diperlukan sistem secara umum mesin stirling hingga dapat bergerak. Mesin stirling pada tahap pertama bergerak pada siklus pertama menuju kedua yaitu saat proses iso termal dimana power piston dan displacer turun ke bawah yang disebut
isoexpansion. Hal ini terjadi disebabkan udara pada displacer mengalam i
pemuaian yang mengakibatkan adanya gaya dorong bagi displacer. Selama iso termal terdapat perbedaan volume ruang antara power piston dan displacer yang mengakibatkan udara atau gas di dalam mesin mengalir ke ruang yang memiliki tekanan lebih rendah dan terjadi penyerapan kalor secara maksimal.
Setelah mengalam i isoexpansion maksimal maka dilanjutkan pada tahap kedua dimana terjadi isokhorik dimana saat terjadi proses tersebut terdapat perbedaan suhu antara power piston dengan displacer yang signifikan. Perbedaan suhu tersebut memberikan percampuran suhu panas dan dingin yang mengakibatkan pembuangan dalam suhu yang besar dari suhu displacer yang sangat tinggi menjadi suhu yang lebih dingin. Tahap ini juga disebut tahap pelepasan kalor pada regenerator.
Setelah mengalam i isokhorik, maka pada tahap ketiga power piston dan
displacer akan mulai mengalami isotermal dimana terjadi isocompression dimana
terjadi perbedaan volume seperti saat isocompression. Perbedaan volume mengakibatkan perbedaan tekanan yang mengakibatkan power piston dan
displacer akan tertarik untuk naik kembali. Di tahap ini terjadi pembuangan panas
yang lebih karena terjadi pendinginan di power piston saat udara memasuki ruang
power piston secara penuh.
Pada tahap 4 terjadi proses isokhorik dimana udara kembali melalui regenerator sehingga udara dipanaskan kembali oleh panas regenerator yg telah
II-11
tersimpan pada tahap kedua. Pada proses ini terjad i perbedaan suhu antara udara yg dingin dari power piston dengan suhu yang ada di regenerator. Akibat dari pemanasan regenerator maka udara yang dipanaskan di displacer akan dapat mencapai suhu yang lebih tinggi dibandingkan suhu saat tahap pertama sebelum mesin mulai bergerak. Pergerakan mesinpun akan mengalami percepatan yang cukup signifikan.
Sistem dan komponen yang berpengaruh dalam sistem adalah sebagai berikut:
Tabel 2.1 Sistem dan komponennya.
No Kriteria Komponen sistem
1 sistem Mesin Stirling
2 entitas gas
3 atribut Kemampuan dorong gas
4 aktivitas transfer energi
5 kejadian pemuaian Jumlah energi yang diserap gas
penyusutan Jumlah energi yang dilepaskan gas
Permasalahan yang dihadapi adalah berapa kemampuan transfer energi yang dilakukan gas untuk dapat dikonversi menjadi tenaga pada poros engkol mesin stirling dari sumber panas yang ditangkap oleh hot chamber mesin striling. Dalam pendekatan sistem, permasalahan dipandang sebagai suatu sumber pemahaman sistem. Pada sistem ini, variabel status berupa jumlah kalor yang diserap gas dan jumlah energi yang dilepaskan gas mengakibatkan terjadinya aktivitas dalam sistem. Karakteristik dari sistem mesin stirling ini adalah:
Pendekatan untuk menjelaskan sistem Relevan lingkungan (Input-Output) komponen
Observer : Penguji mesin stirling
Purpose : Untuk mengetahui efisiensi mesin stirling yang
dicapai pada penelitian awal.
Input
Controllab le : aliran air pendingin
Uncontrollable : Energi kalor yang diberikan menyesuaikan cuaca dan suhu lingkungan, jumlah angin yang dialirkan pada
II-12
heatsink dan radiator air, suhu udara yang digunakan
mendinginkan heatsink dan radiator air.
Output : Udara panas dari heatsink radiator air dan putaran
mesin pada poros engkol mesin stirling.
Komponen : Gas, displacer set, power piston set, cranckshaft,
radiator air set, heatsink, air.
Variabel system : Jumlah energi yang diserap dan jumlah energi yang
dilepaskan.
Parameter : Transfer energi dapat terjadi jika terjadi perbedaan
suhu yang cukup signifikan.
Relasi variabel : Proses perubahan energi mengakibatkan perubahan
tekanan gas dalam sistem. Perubahan tekanan mengakibatkan gas mengalir dan menggerakkan sistem.
Dari siklus yang dijelaskan maka dapat dibuat influence diagram dari mesin stirling sebagai berikut:
Gambar 2.6 Influence diagram mesin stirling
Kemudian dari influence diagram dapat dicari kembali untuk lebih detailnya mengenai faktor-faktor lingkungan yang dapat mempengaruhi dari sistem dalam mesin untuk selama berjalan. Dalam hal ini dapat dibagi beberapa bagian detail yang dapat dimunculkan, mulai dari tujuan pandangan tentang entitas sebagai sebuah sistem, komponen sistem, aktivitas sistem, hubungan antar komponen, masukan dari lingkungan sistem, keluaran terhadap lingkungan
II-13
sistem, dan transformasi proses dari sistem. Hal ini bertujuan untuk mencari bagaimana sistem terbentuk dan tujuan sistem tersebut dibuat. Dapat digambarkan sebagai berikut:
Tabel 2.2 Pandangan sistem Stirling
pandangan sistem Perancang
tujuan pandangan entitas sbg sistem
Studi awal perancangan mesin stirling sebagai pembangkit listrik
komponen sistem
displacer, power piston, cranckshaft, sumber panas, thorax piston,blok mesin tertutup, gas, fly wheel, operator,pendingin air
aktivitas sistem penyerapan panas, perpindahan panas,
pendorongan power piston dan
displacer,pembuangan panas, pemutaran cranckshaft.
hubungan antarkomponen
penggerak komponen yang lain,pemberi perubahan bentuk energi, pemindah/pengalir energi, pengubah suhu.
masukan dari lingkungan sumber panas dan udara pendingin
keluaran ke lingkungan panas dan putaran mesin
transformasi proses dari sistem pemanasan gas sehingga memuai mendorong displacer dan power piston iso ekspansi secara iso termal, pelepasan panas secara isi khorik ke regenerator,pencampuran udara panas dengan udara dingin secara iso termal mengakibatkan iso kompresi pada displacer dan power piston, pemanasan gas akibat menyerap panas dari regenerator secara iso khorik saat melalu i regenerator sehingga cranckshaft berputar secara penuh dan terus menerus.
Dalam sistem gas tertutup mesin stirling terdapat black box yang memiliki kaitan dari sistem tapi berada di luar sistem. Black box sistem tersebut adalah
II-14
kemampuan gas menyerap dan membuang panas yang diberikan sumber panas. Kemampuan gas tersebut mengakibatkan suhu yang akan dicapai pada mesin bekerja. Setiap gas memiliki perilaku dan perlakuan yang berbeda diakibatkan karakteristik dari gas yang digunakan.
Sistem ini merupakan sistem deterministic dimana dapat diperkirakan besar kebutuhan panas untuk menggerakkan sistem ini. Kemampuan sistem ini untuk menghasilkan keluaran dari input yang diberikan dapat diukur baik secara teoritis maupun secara praktik. Sistem ini dapat berjalan secara berkelanjutan atau
continuous jika komponen-komponen dari sistem dapat berjalan secara dan
optimal, seperti sumber panas konstan, pendingin bekerja optimal, lubrikasi optimal, dll. Sistem ini selain membutuhkan keoptimalan dari sistem pendingin dan sumber panas, juga membutuhkan kondisi perubahan cuaca dan suhu di luar mesin yang tidak ekstrim panas, jika kondisi lingkungan mengalami pemanasan maka dapat dipastikan sistem ini menjadi discrete system karena pendinginan mesin tidak optimal dan hanya dapat bekerja pada kondisi tertentu. Sistem ini menjadi open system disebabkan adanya pengaruh dari suhu udara dari lingkungan luar mesin terhadap kinerja sistem.