KARAKTERISTIK MOTOR STIRLING PISTON BEBAS BERPENDINGIN AIR TUGAS AKHIR - Karakteristik motor stirling piston bebas berpendingin air - USD Repository

(1)

i

KARAKTERISTIK MOTOR STIRLING PISTON BEBAS

BERPENDINGIN AIR

TUGAS AKHIR

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Program Studi Teknik Mesin

Diajukan Oleh:

RONALD UDO SALIEM NIM : 095214041

Kepada

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

(2)

CHARACTERISTIC of WATER COOLED FREE PISTON

STIRLING ENGINE

FINAL PROJECT

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

Mechanical Engineering Study Program

By :

RONALD UDO SALIEM NIM : 095214014

For

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

(3)

iii

KARAKTERISTIK MOTOR STIRLING PISTON BEBAS

BERPENDINGIN AIR

Disusun oleh: RONALD UDO SALIEM

NIM : 095214041

Telah disetujui oleh:

Pembimbing Utama Tanggal 22 September 2011

(4)

KARAKTERISTIK MOTOR STIRLING PISTON BEBAS

BERPENDINGIN AIR

Dipersiapkan dan disusun oleh: Nama : Ronald Udo Saliem NIM : 095214041

Telah dipertahankan di depan panitia penguji pada tanggal 23 September 2011 dan dinyatakan memenuhi syarat

Susunan Panitia Penguji :

Nama Lengkap Tanda Tangan

Ketua : Ir. Rines, MT ...

Sekretaris : RB. Dwiseno Wihadi, ST., Msi ...

Anggota : Ir. FA. Rusdi Sambada, M.T. ...

Yogyakarta, 29 September 2011 Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta

Dekan

(5)

v

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

(6)

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Yang bertanda tangan dibawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma : Nama : Ronald Udo Saliem

Nomor Mahasiswa : 095214041

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah dengan judul :

KARAKTERISTIK MOTOR STIRLING PISTON BEBAS

BERPENDINGIN AIR

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

(7)

vii

INTISARI

Energi mempunyai peranan penting dalam berbagai kegiatan manusia. Hampir semua kebutuhan energi manusia diperoleh dari konversi sumber energi fosil. Tentunya penggunaan energi meningkat pesat sejalan dengan pertumbuhan ekonomi dan pertumbuhan penduduk.

Mesin-mesin kendaraan, mesin pompa, mesin pembangkit listrik (genset), tidak lepas dari penggunaan energi fosil. Dalam waktu jangka panjang dapat mengakibatkan sumber energi fosil semakin menipis. Menanggapi situasi ini perlu dikembangkan alternatif-alternatif untuk menekan konsumsi penggunaan energi fosil. Penggunaan motor stirling dapat menjadi salah satu alternatif kerena sumber energinya berasal dari energi panas.

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 termal 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 mm x 49 mm sebagai silinder. Silinder aluminium Ø220 mm x 41 mm sebagai displacer, pegas dengan panjang 270 mm dan silikon sebagai membrannya. Model alat yang dibuat memiliki dimensi utama 350 mm x 350 mm 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 yang dihasilkan adalah sebesar 2,981 mili watt. Sedangkan efisiensi termal terbesar dari stirling piston bebas ini sebesar 24,14 %.

(8)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan segala rahmat dan karunianya, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul “Karakteristik Motor Stirling Piston Bebas Berpendingin Air”. Tugas Akhir ini sebagai pemenuhan persyaratan untuk mencapai derajat sarjana S-1 program studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.

Tugas Akhir ini dapat terwujud berkat bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada:

1. Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan segala kasih dan karunia-Nya dalam membimbing penulis selama ini.

2. Keluarga yang telah memberikan dukungan spiritual, moral dan materi sehingga menjadikan inspirasi penulis untuk selalu berbuat lebih.

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

4. Bapak Ir. PK. Purwadi, M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin. 5. Bapak Wibowo Kusbandono, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing

Akademik.

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

(9)

ix

8. Para dosen dan laboran Program Studi Teknik Mesin, serta para karyawan sekretariat Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.

9. Rekan seperjuangan penulis yaitu Denny Christian dan Febritya Christ Sujatmoko, atas suka dan duka yang dialami bersama dalam menyelesaikan Tugas Akhir.

10.Cinthya Wijayani dan Franky Goestaman yang telah memberikan motivasi dalam menyelesaikan penyusunan naskah Tugas Akhir.

11.Rekan – rekan “Yure!” dan “JSN” yang telah memberikan kebersamaan yang luar biasa.

12.Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu, namun telah banyak memberikan dukungan dan perhatian baik secara langsung atau tidak langsung.

Akhir kata, “tak ada gading yang tak retak”, karena menurut penulis,

Tugas Akhir ini tentu ada kekurangannya. Untuk lebih menyempurnakan Tugas Akhir ini dengan senang hati penulis menerima segala kritik dan saran dari para pembaca. Dengan segala kerendahan hati, apabila terdapat kata-kata yang kurang berkenan di hati para pembaca, penulis mohon maaf dan sekali lagi penulis berterima kasih kepada semua pihak yang telah membantu dalam penyelesaian Tugas Akhir ini.

Yogyakarta, 22 September 2011

(10)

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

2.1Penelitian yang Pernah Dilakukan... 2.2Dasar Teori... 2.2.1 Macam – Macam Motor Stirling... 2.2.2 Motor Stirling Piston Bebas...

(11)

xi

2.2.3 Siklus Stirling Ideal... 2.3Persamaan yang Digunakan...

14 17

BAB III METODE PENELITIAN

3.1Skema Alat Penelitian... 3.2Prinsip Alat Kerja... 3.3Variabel yang Diukur... 3.4Variabel yang Divariasikan... 3.5Metode dan Langkah Pengambilan Data... 3.6Analisa Data...

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1Data Penelitian... 4.2Perhitungan dan Pembahasan...

(12)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Motor Stirling yang Dipatenkan Oleh Dr. Robert Stirling Pada Tahun 1816 dan Digunakan Untuk Memompa Air dari

Penggalian Pada Tahun1818... 6

Gambar 2.2 Motor Stirling yang Dikembangkan Oleh Stirling Bersaudara Pada Tahun 1827... 6

Gambar 2.3 Motor Stirling yang Mengalami Perbaikan Pada Tahun 1840.... 7

Gambar 2.4 Motor Stirling yang Digunakan di Peleburan Besi Dundee... 8

Gambar 2.5 Motor Stirling Piston Bebas Ciptaan Profesor William T. Beale 10 Gambar 2.6 Skema Motor Stirling Tipe Alfa... 11

Gambar 2.7 Skema Motor Stirling Tipe Beta... 12

Gambar 2.8 Skema Motor Stirling Tipe Gama... 13

Gambar 2.9 Cara Kerja Motor Stirling Piston Bebas... 13

Gambar 2.10 Siklus Ideal Motor Stirling (A) Diagram Tekanan – Volume (B) Diagram Temperatur – Entropi... 15

Gambar 3.1 Model Motor Stirling Piston Bebas Berpendingin Air... 20

Gambar 3.2 Detail Konstruksi Membran... 21

Gambar 3.3 Detail Konstruksi Komponen Utama Motor Stirling... 22

Gambar 3.4 Ilustrasi Pengukuran Panjang Osilasi... 25

Gambar 3.5 Ilustrasi Penghitungan Jumlah Langkah... 25

Gambar 3.6 Ilustrasi Variasi ketinggian Displacer... 26

Gambar 3.7 Ilustrasi Variasi Penambahan Beban... 27

Gambar 4.1 Grafik Temperatur Terhadap Waktu... 38

(13)

xiii

Gambar 4.3 Grafik Daya Terhadap Waktu... 40

Gambar 4.4 Grafik Daya Terhadap Beda Temperatur... 43

Gambar 4.5 Grafik Efisiensi Termal Terhadap Waktu... 44

(14)

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data Dengan Variasi Posisi Displacer 0 mm (Panjang Pegas 310 mm) dan Beban Displacer 0 gr... 30 Tabel 4.2 Data Dengan Variasi Posisi Displacer 0 mm (Panjang Pegas 330

mm) dan Beban Displacer 50 gr... 30 Tabel 4.3 Data Dengan Variasi Posisi Displacer 1 mm (Panjang Pegas 332

mm) dan Beban Displacer 50 gr... 31 Tabel 4.6 Hasil Perhitungan Dengan Variasi Posisi Displacer 0 mm

(Panjang Pegas 310 mm) dan Beban Displacer 0 gr... 35 Tabel 4.7 Hasil Perhitungan Dengan Variasi Posisi Displacer 0 mm

(15)

Universitas Sanata Dharma Yogyakarta 1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Saat ini kemajuan di berbagai bidang kehidupan sudah berkembang sangat pesat. Kemajuan tersebut dapat berupa suatu inovasi ataupun suatu penemuan baru. Tentunya kemajuan itu ada yang direspon dengan baik oleh masyarakat dan ada yang kurang mendapat respon. Masyarakat dikatakan merespon dengan baik jika mereka dapat memanfaatkan kemajuan situasi tersebut.

Berbagai bentuk sumber penggerak yang diaplikasikan di mesin banyak di jumpai dalam kehidupan sehari - hari. Sumber penggerak itu mempunyai sumber energi yang berbeda beda. Sebagai contohnya adalah motor listrik, turbin, dan masih banyak contoh lainnya dimana dari jenis penggerak tersebut juga bergantung pada sumber energi penggeraknya. Stirling engine (motor stirling) merupakan salah satu penemuan teknologi sumber penggerak untuk memberikan alternatif yang dapat diaplikasikan pada kehidupan sehari – hari. Dengan prinsip dasar termodinamika yang memanfaatkan panas sebagai sumber energi utamanya.

(16)

maupun bahan dari mesin itu sendiri, seperti gesekan, konduktivitas termal, kekuatan tarik, titik lebur, dan lain – lain. Motor stirling dapat dioperasikan melalui berbagai macam sumber panas, seperti tenaga matahari, kimia maupun nuklir. Dibandingkan dengan motor pembakaran internal, motor stirling memiliki potensi lebih efisien, lebih tenang, dan lebih mudah perawatannya.

Belakangan ini, keuntungan motor stirling terus meningkat, hal ini dimungkinkan dengan adanya kenaikan harga energi, kelangkaan sumber energi, sampai kepedulian tentang masalah lingkungan seperti pemanasan global. Ketertarikan yang meningkat terhadap motor stirling ini berakibat dengan terus bertambahnya penelitian mengenai motor stirling tersebut. Aplikasinya termasuk pompa air, dan sebagai pembangkit listrik yang berbeda dari motor pembakaran internal karena menggunakan sumber energi dari matahari, sampah pertanian dan sampah rumah tangga.

Para Insinyur mengategorikan motor stirling menjadi tiga jenis, yaitu motor stirling tipe alfa, beta dan gama. Namun seiring berjalannya waktu, banyak ahli mesin yang mencoba mengembangkan motor stirling. Saat ini sudah terdapat banyak jenis motor stirling, diantaranya adalah free piston stirling engine (motor stirling piston bebas).

1.2 Batasan Masalah

(17)

Universitas Sanata Dharma Yogyakarta

dibuat. Tidak perlu menggunakan teknologi tinggi dalam pembuatannya. Sehingga mampu dilakukan oleh bengkel – bengkel lokal untuk pengembangan yang lebih lanjut.

Dalam penelitian ini digunakan beberapa batasan sebagai berikut:

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 motor stirling.

b) Fluida kerja yang digunakan adalah udara dan air.

c) Masa jenis (ρ) air yang digunakan untuk perhitungan adalah 1000 kg/m3 dan dianggap konstan.

d) Percepatan gravitasi yang digunakan untuk perhitungan adalah 9,81 m/detik2.

e) Rugi – rugi yang disebabkan gesekan antara pegas dan pipa, kebocoran alat dalam skala kecil, dan lain - lain diabaikan.

f) Kelelahan pegas dan membran diabaikan.

1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian antara lain:

a) Membuat model motor stirling piston bebas dengan desain satu pegas, panjang langkah piston 8 mm, dan menggunakan pendingin air.

b) Meneliti daya (W) yang dihasilkan.

(18)

1.4 Manfaat

Manfaat yang akan didapat dari penelitian ini adalah:

a) Menambah kepustakaan tentang motor stirling khususnya motor stirling piston bebas.

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

(19)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Penelitian yang Pernah Dilakukan

(20)

pengembangan telah dilakukan oleh Stirling bersaudara. Mereka mendapatkan hak paten pada tahun 1827 dan tahun 1840.

Gambar 2.1 Motor Stirling yang Dipatenkan oleh Dr. Robert Stirling Pada Tahun 1816 dan Digunakan untuk Memompa Air dari Penggalian Pada Tahun 1818 (Finkelstein, 2001 : 22)

(21)

Gambar 2.3 Motor Stirling yang Mengalami Perbaikan Pada Tahun 1840 (Finkelstein, 2001 : 28)

(22)

Setelah kegagalan motor stirling di Dundee, tidak ada catatan lebih lanjut tentang pengembangan motor stirling oleh Stirling bersaudara. Dan setelah itu motor stirling tidak mampu menyaingi mesin uap sebagai sumber listrik dalam dunia industri, karena mesin uap dianggap lebih efisien walaupun dengan resiko meledaknya ketel. Pada tahun 1860, motor stirling dalam bentuk yang lebih kecil dibuat dalam jumlah yang besar karena kebutuhan akan daya dalam skala kecil dan menengah seperti menaikkan air atau menyediakan udara untuk organ gereja. Umumnya motor stirling kecil ini dioperasikan pada suhu rendah sehingga aman dioperasikan oleh siapapun yang mampu mengatur pengapian.

Gambar 2.4 Motor Stirling yang Digunakan di Peleburan Besi Dundee (Finkelstein, 2001 : 31)

(23)

pabrik elektronik Philips di Belanda sedang berusaha memperluas pasar penjualan radio ke bagian dunia yang dimana pasokan listrik dan baterai tidak pasti. Untuk mendukung hal tersebut dibutuhkan sebuah generator kecil yang mudah dibawa. Para Insinyur Philips di Eindoven ditugaskan untuk membuat generator tersebut. Setelah membandingkan sistem kerja berbagai macam motor penggerak utama, meraka memutuskan untuk menggunakan motor stirling karena dapat beroperasi dengan tenang sehingga tidak mengganggu suara yang dihasilkan oleh radio. Selain itu, kemampuannya yang dapat dijalankan dengan berbagai macam sumber panas menjadi nilai tambah tersendiri. Para Insinyur Philips juga ingin mencoba melakukan pengembangan motor stirling dengan menggunakan bahan – bahan yang lebih modern sehingga memungkinkan adanya perbaikan besar.

Philips terus mengembangkan motor stirling untuk berbagai macam aplikasi sampai akhir tahun 1970. Dari semua pengembangan motor stirling, hanya stirling engine crycooler yang sukses dikomersialkan. Walaupun demikian, perusahaan Philips banyak mematenkan penemuan mereka dan memberikan lisensi kepada perusahaan lain yang menjadi dasar dari banyak pengembangan di era modern.

(24)

Gambar 2.5 Motor Stirling Piston Bebas Ciptaan Profesor William T. Beale (Finkelstein, 2001 : 132)

2.2 Dasar Teori

(25)

2.2.1 Macam – Macam Motor Stirling

Para Insinyur mengelompokkan motor stirling menjadi tiga kelompok besar, yaitu:

1. Motor stirling tipe alfa

Berisi dua buah piston yang terpisah dalam dua buah silinder, yang satu dingin dan panas. Silinder panas terletak di dalam sisi panas heat exchanger sedangkan silinder dingin terletak di dalam sisi dingin heat exchanger. Jenis ini memiliki perbandingan rasio tenaga dan volume yang tinggi.

(A) (B)

(C) (D)

Gambar 2.6 Skema Motor Stirling Tipe Alfa (Wikipedia, 18 Juli 2011)

2. Motor stirling tipe beta

(26)

apapun dari pemuaian gas tetapi hanya berfungsi untuk memindahkan gas dari sisi panas ke sisi dingin (atau sebaliknya). Ketika gas tertekan ke sisi panas silinder, gas akan memuai dan mendorong piston. Dorongan dari piston ini menimbulkan momentum. Momentum (biasanya disebabkan oleh roda gila) akan mendorong kembali piston. Dorongan piston ini menyebabkan gas terkompres.

(A) (B) (C) (D)

Gambar 2.7 Skema Motor Stirling Tipe Beta (Wikipedia, 18 Juli 2011)

3. Motor stirling tipe gama

(27)

Gambar 2.8 Skema Motor Stirling Tipe Gama (Magical Machines, 3 Agustus 2011)

2.2.2 Motor Stirling Piston Bebas

(A) (B) (C) (D)

(28)

Berikut ini adalah siklus dari Gambar 2.9:

A. Fase pendinginan isokhorik

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

B. Fase kompresi isotermal

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

C. Fase pemanasan isokhorik

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

D. Fase ekspansi isotermal

Suhu udara di dalam motor meningkat maka tekanan udara juga meningkat. Udara memuai dan piston tenaga akan terdorong ke atas. Piston displacer sekarang berada di atas. Pemanasan sudah mencapai puncaknya.

Siklus akan berulang sampai perbedaan temperatur antara sisi panas dan sisi dingin menjadi kecil.

2.2.3 Siklus Stirling Ideal

(29)

(A) (B)

Gambar 2.10 Siklus Ideal Motor Stirling (A) Diagram Tekanan – Volume (B) Diagram Temperatur – Entropi

12 : Ekspansi Isotermal (temperatur tetap)

Gas tekanan tinggi menyerap panas dari sisi panas melalui penukar panas. Sehingga piston mulai bergerak.

23 : Isokhorik (volume tetap)

Displacer memindahkan semua gas menuju sisi dingin melewati regenerator. Panas akan diserap dari gas saat melewati regenerator. Suhu yang berkurang menyebabkan tekanan gas berkurang secara signifikan.

34 : Kompresi isotermal

Piston melakukan kerja pada gas dan mengkompresnya pada akhir suhu dingin. Panas akan dibuang ke sisi dingin melalui penukar panas. Karena tekanan gas rendah, kerja yang dibutuhkan untuk kompresi

(30)

lebih kecil dari pada yang diperoleh selama ekspansi. Siklus menghasilkan keluaran kerja bersih.

41 : Isokhorik

Displacer akan memindahkan gas menuju sisi panas melalui regenerator. Panas akan ditambahkan ketika melewati regenerator maka akan meningkatkan suhu gas. Ketika suhu meningkat, maka tekanan meningkat secara signifikan, dan sistem kembali ke kondisi awal.

Hukum – hukum termodinamika merupakan batasan – batasan umum yang memusatkan perhatian pada energi dan transformasinya. Energi adalah abstraksi matematik yang tidak terpisahkan dari hubungan fungsionalnya dengan variabel – variabel yang memiliki sebuah penafsiran fisis dan yang dapat diukur, contoh : energi kinetik suatu massa merupakan fungsi dari kecepatan massa tersebut, dan ia tidak memiliki kenyataan yang lain.

(31)

Motor carnot adalah mesin kalor hipotetis yang beroperasi dalam suatu siklus reversibel yang disebut siklus carnot. Model dasar motor ini dirancang oleh Nicolas Leonard Sadi Carnot, seorang Insinyur militer Perancis pada tahun 1824. Model motor carnot kemudian dikembangkan secara grafis oleh Emile Clapeyron pada tahun 1834, dan diuraikan secara matematis oleh Rudolf Clausius pada 1850 an dan 1860 an. Dari pengembangan Clausius dan Clapeyron inilah konsep dari entropi mulai muncul.

Setiap sistem termodinamika berada dalam keadaan tertentu. Sebuah siklus termodinamika terjadi ketika suatu sistem mengalami rangkaian keadaan-keadaan yang berbeda, dan akhirnya kembali ke keadaan-keadaan semula. Dalam proses melalui siklus ini, sistem tersebut dapat melakukan kerja terhadap lingkungannya, sehingga disebut motor kalor.

Sebuah motor kalor bekerja dengan cara memindahkan energi dari daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih dingin, dan dalam prosesnya, mengubah sebagian energi menjadi usaha mekanis. Sistem yang bekerja sebaliknya, dimana gaya eksternal yang dikerjakan pada suatu mesin kalor dapat menyebabkan proses yang memindahkan energi panas dari daerah yang lebih dingin ke energi panas disebut refrigerator.

2.3 Persamaan yang Digunakan

Frekuensi adalah banyaknya osilasi tiap satuan waktu. Dapat dihitung dengan menggunakan rumus :

𝑓 = 𝑛

(32)

dengan :

𝑛 : Jumlah langkah

𝑡 : Waktu yang diperlukan (detik)

Kecepatan air yang dipindahkan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

𝑣 = 𝑓𝑥 2 𝑥𝑕 (m/s) (2.2)

dengan :

𝑓 : Frekuensi (Hz)

𝑕 : Panjang langkah (m)

Volume Air yang dipindahkan dalam tiap detik dapat dihitung dengan persamaan:

𝑉 = 𝐴𝑥𝑣 (m3/s) (2.3)

dengan :

𝐴 : Luas penampang selang (m)

𝑣 : Kecepatan osilasi (m/detik)

Tekanan yang dihasilkan pompa dapat dihitung dengan persamaan:

𝑃 = 𝜌𝑥𝑔𝑥𝑕 (N/m²) (2.4)

dengan :

(33)

𝑔 : Percepatan gravitasi (m/s²)

𝑕 : Panjang osilasi (m)

Daya pemompaan yang dihasilkan pompa air dapat dihitung dengan persamaan:

𝑊 = 𝑃𝑥𝑉 (watt) (2.5)

dengan:

𝑃 : Tekanan yang dihasilkan (N/m2)

𝑉 : Volume Air yang dipindahkan dalam tiap detik (m3/s)

Efisiensi termal stirling dapat dihitung dengan persamaan (Cengel, 2006 : 506):

𝜂𝑡 = 1−_𝑇𝐻𝑇𝐿 (2.6)

dengan:

𝑇𝐿 : Temperatur sisi dingin (K)

(34)

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Skema Alat Penelitian

Model motor stirling piston bebas yang dibuat terdiri dari beberapa komponen utama yaitu displacer, membran, silinder dan pegas. Sistem osilasi air menggunakan selang waterpas yang dihubungkan pada bagian sisi dingin. Motor stirling piston bebas ini menggunakan plat besi siku sebagai dudukannya.

(35)

Universitas Sanata Dharma Yogyakarta Keterangan:

1. Sisi panas 7. Batang displacer

2. Displacer 8. Pegas

3. Silinder 9. Rangka

4. Sisi dingin 10. Beban

5. Membran 11. Selang Osilasi

6. Air pendingin

Gambar 3.2 Detail Konstruksi Membran membran

multiplex

karet

(36)

ukuran dalam mm

Gambar 3.3 Detail Konstruksi Komponen Utama Motor Stirling

Motor stirling piston bebas terdiri dari beberapa komponen yang mudah didapat dan mudah dikerjakan, yaitu:

1. Displacer

Menggunakan aluminium dengan ketebalan dinding ±1 mm. Dipilihnya material ini mengingat bahwa displacer harus terbuat dari bahan yang ringan. Sehingga saat tekanan di dalam stirling naik, membran yang digunakan mampu untuk mengangkat displacer. Tidak seperti pada umumya, displacer pada motor stirling piston bebas ini memiliki celah antara diding silinder bagian dalam. Hal ini dikarenakan jika displacer dibuat sliding dengan dinding silinder bagian dalam, maka akan terjadi gesekan yang menghambat laju dari langkah displacer tersebut. Displacer ini hanya berfungsi sebagai pemindah udara dari sisi panas ke sisi dingin atau sebaliknya.

∅9,5

41 49

∅220

(37)

Universitas Sanata Dharma Yogyakarta 2. Membran

Terbuat dari bahan yang elastis dan tahan terhadap panas. Pada alat ini menggunakan bahan dari karet sintesis. Konstruksi membran seperti pada Gambar 3.2.

3. Pegas

Pegas yang digunakan memiliki kekakuan pegas sebesar (k= 24,5 N/m) dengan panjang normal 270 mm. Pegas ini berfungsi sebagai pembawa displacer. Sehingga berat displacer menjadi semakin ringan. Selain alat utama seperti Gambar 3.1, digunakan alat-alat pendukung sebagai berikut:

1. Stopwatch

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

2. Termokopel & Termometer

Digunakan untuk mengukur suhu pada sisi panas dan sisi dingin. 3. Milimeter blok

Digunakan untuk mengukur panjang langkah osilasi. 4. Kompor spiritus

(38)

3.2 Prinsip Alat Kerja

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.

3.3Variabel yang Diukur

Variabel-variabel yang diukur antara lain :

1. Suhu (T)

(39)

Universitas Sanata Dharma Yogyakarta 2. Panjang langkah osilasi (h)

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

h

keadaan air awal keadaan air ketika osilasi

Gambar 3.4 Ilustrasi Pengukuran Panjang Osilasi

3. Jumlah langkah (n)

Satu langkah dihitung saat displacer mencapai titik atas (TMA) / titik mati bawah (TMB) dan kembali lagi ke TMA/ TMB, misalnya (TMA – TMB – TMA).

TMB TMA

(40)

Δy

3.4 Variabel yang Divariasikan

Variabel yang divariasikan dalam pengujian yaitu:

1. Ketinggian displacer.

Variasi ketinggian displacer dari sisi panas adalah: 0 mm, 1 mm, 2 mm dan 4 mm. Ketinggian displacer dipengaruhi oleh pengaturan panjang pegas yaitu 310 mm, 330 mm, 332 mm, 333 mm dan 335 mm.

Posisi displacer 0 mm Posisi displacer lebih 0 mm

Gambar 3.6 Ilustrasi Variasi ketinggian Displacer

2. Penambahan beban pada batang displacer.

(41)

tanpa beban dengan beban

Gambar 3.7 Ilustrasi Variasi Penambahan Beban

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. Untuk variasi pertama, ketinggian displacer 0 mm dari sisi panas (panjang pegas 310 mm) dan beban pada displacer 0 gr:

1. Pegas diturunkan, panjang pegas 310 mm 2. Penambahan beban pada displacer adalah 0 gr.

3. Posisi ketinggian displacer dari sisi panas adalah 0 mm. 4. Pemanas mulai dinyalakan.

(42)

B. Untuk variasi kedua, ketinggian displacer 0 mm dari sisi panas (panjang pegas 330 mm) dan beban pada displacer 50 gr:

5. Suhu sisi panas, suhu sisi dingin, panjang langkah osilasi, jumlah langkah osilasi dicatat setiap 10 menit selama 60 menit.

C. Untuk variasi ketiga, ketinggian displacer 1 mm dari sisi panas (panjang pegas 332 mm) dan beban pada displacer 50 gr:

D. Untuk variasi keempat, ketinggian displacer 2 mm dari sisi panas (panjang pegas 333 mm) dan beban pada displacer 50 gr:

1. Pegas diturunkan, panjang pegas 333 mm. 2. Penambahan beban pada displacer adalah 50 gr.

(43)

E. Untuk variasi kelima, ketinggian displacer 4 mm dari sisi panas (panjang pegas 335 mm) dan beban pada displacer 50 gr:

1. Pegas diturunkan, panjang pegas 335 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.

Berdasarkan variabel yang divariasikan, dapat dikelompokkan menjadi 2 kelompok variasi yaitu kelompok penambahan beban (variasi 1 dan variasi 2) dan kelompok posisi displacer (variasi 2, variasi 3, variasi 4 dan variasi 5)

3.6 Analisa Data

(44)

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Penelitian

Data pengujian yang didapat terdiri dari beberapa variasi yang telah dituliskan penulis pada BAB III. Berikut data yang didapatkan :

Tabel 4.1 Data Dengan Variasi Posisi Displacer 0 mm (Panjang Pegas 310 mm) dan Beban Displacer 0 gr

Menit ke T1

(45)

Menit ke T1

(46)

4.2 Perhitungan dan Pembahasan

Berikut ini adalah contoh perhitungan yang digunakan untuk menghitung data percobaan dari variasi pertama hingga variasi kelima. Contoh perhitungan diambil dari tabel 4.1 pada menit ke sepuluh. Jumlah langkah osilasi yang terjadi adalah 44 kali, maka frekuensi yang dihasilkan adalah :

𝑓=𝑛

𝑡

= 44

10 × 60

= 0,07333 Hz

𝑛 : banyak langkah osilasi

𝑡 : waktu yang diperlukan (detik)

Karena frekuensi didapat 0,07333 maka kecepatan air yang dipindahkan pada selang osilasi didapat :

𝑣 =𝑓× 2 ×𝑕

= 0,07333 × 2 × 11

100

= 0,0161 m s

𝑓 : frekuensi (Hz)

(47)

Volume air yang dipindahkan dalam tiap detik dihitung dengan :

𝑉 =𝐴×𝑣

=𝜋

4𝑑

2_×_𝑣

=𝜋

40,0095

2_{× 0,0161}

= 0,000001149 𝑚3 _𝑠

𝐴 : luas penampang selang osilasi (m²)

𝑑 : diameter selang osilasi (3/8 inci)

𝑣 : kecepatan alir air (m/s)

Tekanan yang dihasilkan dapat dihitung dengan:

𝑃 =𝜌×𝑔×𝑕

= 1000 × 9,81 × 0,11

= 1079,1 N _m2

𝜌 : Masa jenis air (1000 kg/m³)

𝑕 : Panjang osilasi (m)

(48)

Sedangkan daya didapatkan :

𝑊= 𝑃×𝑉

= 1079,1 × 0,000001149

= 0,00124 Watt

𝑃 : Tekanan (N _m₂)

𝑉 : Volume air yang dipindahkan pada selang osilasi (m3 _s)

Efisiensi termal stirling :

𝜂𝑡 = 1−_𝑇𝑇𝐿

𝐻 × 100%

= 1−(32,7 + 273)

(85,3 + 273)× 100%

= 14,68 %

𝑇𝐿 : Suhu di sisi dingin (K)

𝑇𝐻 : Suhu di sisi panas (K)

(49)

Tabel 4.6 Hasil Perhitungan Dengan Variasi Posisi Displacer 0 mm (Panjang Pegas 310 mm) dan Beban Displacer 0 gr

(50)

Tabel 4.8 Hasil Perhitungan Dengan Variasi Posisi Displacer 1 mm (Panjang Pegas 332 mm) dan Beban Displacer 50 gr

(51)

(52)

0

Temperatur sisi panas variasi 1 Temperatur sisi dingin variasi 1 Temperatur sisi panas variasi 2 Temperatur sisi dingin variasi 2 Temperatur sisi panas variasi 3 Temperatur sisi dingin variasi 3 Temperatur sisi panas variasi 4 Temperatur sisi dingin variasi 4 Temperatur sisi panas variasi 5 Temperatur sisi dingin variasi 5 Untuk lebih memudahkan dalam pembahasan, maka hasil perhitungan dapat disajikan dalam bentuk gambar grafik.

Gambar 4.1 Grafik Temperatur Terhadap Waktu

(53)

Variasi 1 Variasi 2 Variasi 3 Variasi 4 Variasi 5

kompor spiritus menurun hal ini disebabkan karena berkurangnya jumlah spiritus yang ada di kompor spiritus. Berkurangnya jumlah spiritus menyebabkan kapileritas di sumbu kompor membutuhkan waktu yang lebih lama. Menurunnya panas yang dihasilkan berakibat turunnya temperatur sisi panas.

Kenaikan temperatur juga dialami oleh sisi dingin, tetapi tidak secepat kenaikan temperatur di sisi panas karena panas yang diterima sisi dingin berasal dari konveksi dengan udara di dalam silinder. Udara merupakan zat yang memiliki konduktivitas termal yang kecil (0,023 J/m.s.°C) maka perpindahan panas konveksi yang terjadi kecil, sehingga kenaikan temperatur sisi dingin lebih lambat.

(54)

0

Dari Gambar 4.2 menunjukkan bahwa setiap variasi memiliki tren beda temperatur yang sama. Awalnya beda temperatur mengalami kenaikan hingga mencapai titik maksimum kemudian mengalami penurunan. Beda temperatur juga mempengaruhi panjang langkah osilasi yang dihasilkan. Semakin besar beda temperatur, maka panjang langkah osilasi yang terjadi semakin besar pula. Hal ini dapat dilihat dari Tabel 4.6 sampai Tabel 4.10. Dari tabel tersebut menunjukkan panjang langkah osilasi berbanding lurus dengan beda temperatur. Ketika beda temperatur mengalami kenaikan, maka panjang langkah osilasi bertambah besar. Begitu pula ketika beda temperatur mengalami penurunan maka panjang langkah osilasi juga berkurang.

(55)

Dari Gambar 4.3 menunjukkan, variasi 3 menghasilkan daya rata – rata yang paling besar yaitu 1,837 mW. Hal ini disebabkan karena variasi 3 memiliki volume udara yang dipanaskan di bawah displacer yang sedikit (posisi displacer berjarak 1 mm dari sisi panas) dan temperatur sisi panas rata – rata yang cukup besar yaitu 115,3°C. Volume udara di bawah displacer yang sedikit akan lebih cepat memuai karena kalor yang diterima udara di bawah displacer sama. Pemuaian udara yang cepat akan meningkatkan tekanan di dalam silinder untuk menggerakkan displacer (dapat dilihat dari data yang diperoleh yaitu nilai rata – rata panjang langkah osilasi untuk variasi 3 paling besar yaitu 15,7 cm).

Untuk variasi 1 dan variasi 2, meskipun memiliki volume udara yang sama dan kalor yang diterima udara di bawah displacer dari sisi panas relatif sama, tetapi daya rata – rata yang dihasilkan oleh variasi 2 lebih besar karena terdapat penambahan beban sebesar 50 gram pada batang displacer (daya rata – rata variasi 2 adalah 1,451 mW sedangkan variasi 1 menghasilkan daya rata – rata sebesar 0,747 mW). Ketika displacer bergerak menuju sisi panas maka terdapat dua gaya yang bekerja yaitu gaya pegas dan gaya berat. Berbeda dengan variasi 1 yang hanya terdapat gaya pegas saja ketika displacer bergerak menuju sisi panas.

(56)

lebih cepat (rata – rata kecepatan aliran osilasi variasi 2 sebesar 1,5 cm/s dan variasi 1 sebesar 1,2 cm/s). Penambahan beban pada batang displacer akan menghasilkan daya yang lebih besar pada kondisi volume udara dibawah displacer yang sama.

Daya yang dihasilkan untuk setiap variasi tidak hanya disebabkan beda temperatur, tetapi juga dipengaruhi oleh volume udara di bawah displacer yang dipanaskan. Hal ini dapat dilihat dari Gambar 4.4 yang menunjukkan daya yang dihasilkan setiap variasi berbeda meskipun mempunyai beda temperatur yang sama.

Variasi 3 merupakan variasi yang menghasilkan daya yang paling besar diantara semua variasi yaitu 2,981 mW pada beda temperatur 98,9°C. Sedangkan variasi 5 yang memiliki beda temperatur terbesar yaitu 100,6°C menghasilkan daya 2,264 mW.

(57)

Beda Temperatur (°C)

Gambar 4.4 Grafik Daya Terhadap Beda Temperatur

(58)

0

besar beda temperatur yang terjadi maka efisiensi termal yang dihasilkan akan semakin tinggi. Jadi Efisiensi termal yang dihasilkan berbanding lurus dengan beda temperatur yang terjadi.

Gambar 4.5 Grafik Efisiensi Termal Terhadap Waktu

(59)

masing garis berhimpitan). Itu berarti hanya beda temperaturlah yang mempengaruhi efisiensi termal yang dihasilkan.

Gambar 4.6 Grafik Efisiensi Termal Terhadap Beda Temperatur 0

Beda Temperatur (°C)

(60)

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

1. Telah berhasil dibuat model stirling jenis piston bebas.

2. Variasi panjang pegas 332 mm, posisi displacer 1 mm dan beban displacer 50 gr merupakan variasi yang menghasilkan daya maksimal yaitu 2,981 mW dengan efisiensi termal maksimal yang dihasilkan adalah 22,94%. 3. Variasi panjang pegas 335 mm, posisi displacer 4 mm dan beban displacer

50 gr merupakan variasi yang menghasilkan efisiensi termal maksimum yaitu 24,14 % dengan daya maksimal yang dihasilkan adalah 2,264 mW.

5.2 Saran

1. Dalam merancang pemanas sebaiknya nyala api sewaktu proses pemanasan diberikan sungkup agar proses pemanasan berlangsung stabil. 2. Dalam proses pengambilan data sebaiknya dipastikan terlebih dahulu

bawha tidak ada kebocoran pada stirling karena dapat mempengaruhi proses osilasi air. Biasanya kebocoran terdapat pada penggunaan sealer untuk menutup sambungan dan sebaiknya digunakan sealer yang memiliki ketahanan panas tinggi (high temp).

(61)

yang berada di dalam stirling akan mempengaruhi kondisi membran menjadi rusak / bocor.

(62)

DAFTAR PUSTAKA

Cengel, Yunus A; Michael A Boles. Thermodynamics An Engineering Approach fifth Editon. New York: McGraw-Hill, 2006.

Finkelstein, Theodor; Allan J Organ. Air Engines. New York: The American Society of Mechanical Engineers, 2001.

Gyroscope. Free Piston Stirling Engine Kit. http://gyroscope.com/images/ stirlingfreepiston/freepistonstirling.pdf, 19 Juli 2011.

Magical Machines. The Stirling Cycle Engine. http://magicalmachines. weebly.com/the-stirling-cycle-engine.html, 3 Agustus 2011.

Sun Power. High Performance Free-Piston Stirling Engines. http://www. sunpower.com/lib/sitefiles/pdf/productlit/Engine%20Brochure.pdf, 19 Juli 2011.

(63)

LAMPIRAN

Gambar alat ketika pengambilan data