UJI UNJUK KERJA MESIN STIRLING TIPE GAMMA DENGAN FLUIDA KERJA NANOFLUID BERBASIS ZnO

(1)

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

UJI UNJUK KERJA MESIN STIRLING TIPE GAMMA

DENGAN FLUIDA KERJA

NANOFLUID

BERBASIS ZnO

SKRIPSI

Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar

Sarjana Teknik

Disusun Oleh : OKY DWI HP

I 1406014

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

(2)

commit to user

ii

HALAMAN PENGESAHAN

UJI UNJUK KERJA MESIN STIRLING DENGAN FLUIDA KERJA

NANOFLUID BERBASIS ZnO

Disusun oleh

Oky Dwi Hanggara Putra I 1406014

Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II

Dr. Tech. Suyitno, M.T. Wibawa Endra Juwana, S.T, M.T. NIP. 197409022001121002 NIP. 197009112000031001

Telah dipertahankan dihadapan Tim dosen penguji pada hari Senin tanggal 25 Juni 2012

1. Tri Istanto, S.T, M.T

NIP. 197308202000121001 ………

2. Zainal Arifin, S.T, M.T

NIP. 197303082000031001 ………

3. Eko Prasetyo B., S.T, M.T

NIP. 197109261999031002 ………

Mengetahui,

Ketua Jurusan Teknik Mesin Koordinator Tugas Akhir

(3)

commit to user

iii

PERSEMBAHAN

Kepada mereka yang telah berjasa, kepada mereka pula saya persembahkan hasil jerih payah dan kerja keras saya selama menempuh jenjang S-1 ini yaitu sebuah skripsi yang akan menjadi karya terbesar dan kebanggaan saya sehingga saya lulus dari Universitas Sebelas Maret ini dengan gelar Sarjana Teknik. Mereka adalah

1. Segala puji bagi Allah SWT dan Muhammad SAW sebagai rosulNya.

2. Keluarga besar Sudarmadji (Bapak : Sudarmadji, Ibu : Cahyani Widyastuti, karena berkat beliaulah penulis terlahir didunia ini) beserta saudara dari Bapak dan Ibu.

3. Kakaku: Novianto Widyadarmasto beserta Istri, Arta Akhmalia dan Adikku: Elysa Hemas Putri, terimakasih dengan semua dorongan, doa dan semangatnya dan semoga kelak bisa membahagiakan ayah dan ibu kita kelak

di dunia dan akhirat…Amien ya Robbalallamin...

4. Semua ilmuwan dan praktisi pendidikan, terima kasih dengan semua ilmu pengetahuan dan teknologi yang telah dihasilkan.

(4)

commit to user

iv

MOTTO

“

Allah akan mengangkat (derajat) orang-orang yang beriman dintara kamu

dan orang-orang yang diberi ilmu beberapa derajat dan Allah Maha Teliti

yang kamu kerjakan

’’

(

QS. Al Mujadalah :11

)

„‟Bacalah dan Tuhanmulah yang Maha Mulia yang mengajar (manusia)

dengan pena. Dia mengajarkan manusia apa yang tidak diketahui

nya‟‟

(QS. Al. Alaq: 3-5)

„‟Jangan menilai orang lain dari kesuksesan yang didapat tapi nilailah dari

usaha yang dilakukannya‟‟

(

Bong Chandra

)

„‟ Sebuah target dan cita

-cita itu dibuat bukan untuk dicapai. Cita-cita itu

dibuat untuk dimulai, maka segera mulailah, lalu perhatikan apa yang

terjadi,‟‟

(Mario Teguh)

„‟Jangan pernah patah semangat karena perjuanganmu adalah

keberhasilanmu‟‟

(Oky Dwi HP)

“Jangan pernah merasa tidak mampu sebelum kamu mencobanya”

(5)

commit to user

v

Uji Unjuk Kerja Mesin Stirling Tipe Gamma dengan Fluida Kerja

Nanofluid Berbasis ZnO

Mahasiswa Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta

Email : ocky14@gmail.com

ABSTRAK

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh fluida kerja terhadap unjuk kerja mesin Stirling. Mesin Stirling tipe gamma dipilih sebagai desain dalam penelitian ini dengan kontruksi satu piston displacer (silinder panas) dan satu

power piston (silinder dingin) serta pemanas listrik sebagai sumber panasnya.

Variasi fluida kerja mesin Stirling yang digunakan dalam penelitian ini adalah udara pada tekanan atmosfir, udara dengan penambahan ethanol, dan udara dengan penambahan fluida nano. Pada fluida kerja udara dengan penambahan

ethanol diatur sehingga fraksi ethanol dalam udara tersebut adalah 1% volume,

5% volume dan 10% volume. Pada fluida kerja udara dengan penambahan campuran ethanol dengan partikel nano (nanofluid) dilakukan pada fraksi ethanol

dalam udara yang menghasilkan efisiensi terbaik. Pada pengujian dengan fluida kerja berupa nanofluid dilakukan untuk variasi fraksi volume nano fluida 1x10-3, 2,5x10-3 dan 5x10-3. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa untuk fluida kerja udara dengan penambahan ethanol dapat diperoleh torsi, daya dan efisiensi yang maksimum masing-masing sebesar 0,3 N.m, 10,6 Watt dan 3,9% yaitu pada penambahan 5% volume ethanol. Torsi, daya dan efisiensi mesin Stirling dapat ditingkatkan lagi dengan menambahkan nano fluida pada fluida kerja udara. Hasil perolehan torsi, daya dan efisiensi untuk penambahan nano fluida pada fraksi volume 5x10-3 sebesar 0,42 Nm, 17,9 watt dan 6,3%.

(6)

commit to user

vi

Performance Test of Gamma-Type Stirling Engine with Working Fluid of Nanofluid Based on ZnO

Department Mechanical Engineering

Faculty of Engineering Sebelas March University Surakarta, Indonesia

Email : ocky14@gmail.com

ABSTRACT

The purpose of this study is to determine the influence of working fluids on the performance of the Stirling engine. Gamma-type Stirling engine was chosen as the design in this study with the construction of a displacer piston (hot cylinder), a power piston (cold cylinder) and an electric heater as the heat source. Various working fluids of the Stirling engine used in this study were atmospheric air, air with the ethanol addition and air with mixtures of ethanol and nano particles. Ethanol was added into air so that the volume fractions were 1% volume, 5% volume and 10% volume. The experiments with nanofluids were conducted at the fraction of ethanol in the air resulting the best efficiency. Performance Test with working fluids of nanofluids were conducted at volume fractions of 1x10-3, 2.5 x10-3 and 5x10-3. The results show that the working fluid of air with the addition of 5 % volume ethanol can be obtained the maximum of torque, power and efficiency at 0.3 Nm, 10.6 W and 3.9%, respectively. The engine torque, power and efficiency can be further increased by adding nano fluid in the working fluid with the addition of 5% volume ethanol. By addition the nano fluids up to 5x10-3 can be obtained engine torque, power and efficiency of 0.42 Nm, 17.9 W and 6.3%, respectively.

(7)

commit to user

vii

KATA PENGANTAR

Assalamu’alaikum Wr.wb

Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah Subhannahuwata’alla yang telah

memberikan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir dengan judul “ Uji Unjuk Kerja Mesin Stirling dengan Fluida Kerja NanofluidBerbasis Zno” ini dengan baik.

Laporan ini disusun dan dilakukan sebagai salah satu syarat yang harus dipenuhi

oleh setiap mahasiswa untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik

Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta. Dengan selesainya

laporan ini, penulis ingin menyampaikan terimakasih kepada :

1. Allah SWT atas rahmat dan hidayahnya kepada penulis.

2. Bapak Didik Joko Susilo, S.T, M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin

Universitas Sebelas Maret Surakarta.

3. Bapak Dr.techn. Suyitno, M.T., selaku pembimbing pertama atas

bimbingannya hingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

4. Bapak Wibawa Endra Juwana, S.T, M.T., selaku pembimbing kedua yang

telah turut serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis.

5. Bapak Tri Istanto, S.T, M.T., selaku pembimbing akademis yang telah

berperan sebagai orang tua selama penulis melaksanakan studi di

Universitas Sebelas Maret.

6. Seluruh pengajar, staf administrasi, dan laboran di Jurusan Teknik Mesin

UNS, yang telah turut mendidik penulis hingga menyelesaikan studi S1.

7. Kedua Orang tua tercinta, kakak, adik, om, tante dan ponakan-ponakan

penulis yang telah memberikan doa dan dukungan kepada penulis dalam

menempuh pendidikan di Universitas Sebelas Maret Surakarta.

8. Ani Lestari, S.T yang selalu memberikan semangat dan doa kepada

penulis dalam menyelesaikan pendidikan di Universitas Sebelas Maret

Surakarta.

9. Teman-teman di Laboratorium Biofuel (mas_Ter toharudin, S.T, mas aji,

mas darmanto, bombi, khamdan, bandriyo, imam saputra, sutarmo, huda,

(8)

commit to user

viii

agus, S.T, pak bayu, S.T dan pak luqman, S.T) yang selalu solid dan

harmonis.

10.Teman-teman Tim Futsal D’Jump FC (Agung “Bagiyo”, Hery “Celeng”, Sukma, Agus “Kenthus”, Bagus “Koko”, Fais, Wisnu) yang semakin solid. 11.Teman-teman 2006 NR semoga tetap “Satu Komando....!!

12.Teman-teman mahasiswa khususnya jurusan Teknik Mesin Universitas

Sebelas Maret Surakarta.

13.Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah

membantu pelaksanaan dan penyusunan skripsi.

Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan Skripsi ini masih jauh dari

sempurna, maka penulis mengharap kritik dan saran dari berbagai pihak untuk

kesempurnaan skripsi ini. Akhir kata, semoga skripsi ini dapat berguna bagi ilmu

pengetahuan dan kita semua.

Surakarta, Juli 2012

(9)

commit to user

ix DAFTAR ISI

ABSTRAK ... v

ABSTRACT ... vi

DAFTAR ISI ... ix

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1. Latar Belakang ... 1

1.2. Perumusan Masalah ... 2

1.3. Batasan Masalah ... 2

1.4. Tujuan dan Manfaat Penelitian ... 3

1.5. Sistematika Penulisan ... 4

BAB II DASAR TEORI ... 5

2.1. Tinjauan Pustaka ... 5

2.2. Mesin Stirling ... 6

2.2.1. Siklus Stirling ... 8

2.2.2. Efisiensi mesin Stirling ... 10

2.3. Nanofluid ... 10

2.4. Daya Poros ... 11

2.5. Efisiensi thermal ... 12

BAB III METODE PENELITIAN... 13

3.1.Tempat Penelitian ... 13

3.2.Alat dan Bahan Penelitian ... 13

3.3.Prosedur Penelitian ... 17

3.4.Skema Peralatan ... 19

3.5.Diagram Alir Penelitian ... 20

BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN ... 21

(10)

commit to user

x

4.2. Pengaruh Penambahan Nanofluid ZnO Tehadap Efisiensi Mesin

Stirling ... 24

BAB V PENUTUP ... 28

5.1 Kesimpulan ... 28

5.2 Saran ... 28

DAFTAR PUSTAKA ... 29

(11)

commit to user

xi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Konfigurasi Alpha ... 7

Gambar 2.2 Konfigurasi beta ... 7

Gambar 2.3 Konfigurasi gamma ... 8

Gambar 2.4 Siklus Mesin Stirling ... 8

Gambar 3.5 Zinc Oxide ... 13

Gambar 3.6 Timbangan Digital ... 13

Gambar 3.7 Gelas ukur 1cc-10cc ... 14

Gambar 3.8 Digital tachometer ... 14

Gambar 3.9 Torsi meter ... 14

Gambar 3.10 voltage Regulator ... 15

Gambar 3.11 Ac clamp- on Ammeter ... 15

Gambar 3.12 Unit kWh meter ... 15

Gambar 3.13 Relay ... 16

Gambar 3.14 Thermoreader ... 16

Gambar 3.15 Thermocouple... 16

Gambar 3.16 Stopwatch ... 17

Gambar 3.17 Skema peralatan pengujian... 19

Gambar 3.18 Skema mesin Stirling tipe gamma ... 19

Gambar 3.19 Diagram Alir Penelitian ... 20

Gambar 4.1. Torsi Mesin Stirling yang Dihasilkan dengan Penambahan Ethanol % volume ... 21

Gambar 4.2. Daya Mesin Stirling yang Dihasilkan dengan Penambahan Ethanol % Volume ... 22

Gambar 4.3. Efisiensi Mesin Stirling yang Dihasilkan dengan Penambahan Ethanol % Volume. ... 23

Gambar 4.4. Torsi Mesin Stirling yang Dihasilkan dengan Penambahan Nanofluid Zno ... 25

Gambar 4.5. Daya Mesin Stirling yang Dihasilkan dengan Penambahan Nanofluid Zno ... 25

(12)

commit to user

xii

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Sifat- sifat fluida kerja... 24

(13)

Mesin Stirling merupakan mesin yang termasuk pada mesin pembakaran luar

(external combustion engine). Mesin Stirling bekerja dengan memanfaatkan siklus

tertutup regeneratif (closed-cycle regenerative machines). Kelebihan mesin

Stirling yaitu dapat bekerja dengan sumber energi panas yang bervariasi misalnya:

panas matahari, panas pembakaran dari limbah pertanian (sekam, tempurung

kelapa), panas pembakaran dari kayu, panas pembakaran dari bahan bakar

minyak, panas bumi, dan lainnya. Perbedaan yang mencolok dengan mesin

pembakaran dalam adalah potensi untuk menggunakan sumber panas terbarukan

pada mesin Stirling lebih mudah, suara mesin lebih lembut (tidak berisik), dan

biaya perawatannya lebih rendah.

Mesin Stirling tipe gamma dipilih sebagai desain dalam penelitian ini karena

mempunyai keuntungan yaitu desain yang sederhana dan rendah gesekan.

Penelitian yang sudah dilakukan oleh Shung Wen Kang, Meng Yuan Kuo, Jian

You Chen dan Wen An Lu pada tahun 2010 tentang pembuatan mesin Stirling

tipe gamma didapatkan efisiensi maksimum 2,57% pada 456 RPM dan 2,9% pada

412 RPM dengan menggunakan fluida kerja udara (Kang, S. W., dkk., 2010).

Sementara itu analisis secara teori termodinamik dari mesin Stirling menunjukkan

bahwa efisiensi thermal mesin ini sama dengan efisiensi siklus Carnot berkisar

30% - 40% (Kongtragool, B., dkk., 2007). Penelitian lainnya menyebutkan bahwa

penggunaan helium sebagai fluida kerja mampu meningkatkan daya keluaran

mesin Stirling hampir dua kali dibandingkan dengan fluida kerja udara (Cinar, C.,

dkk., 2005). Selain helium dan udara, fluida kerja yang umum digunakan ada

mesin Stirling adalah hidrogen (H2) dan sodium (Thombare, D. G., dkk., 2008).

Perkembangan dewasa ini dalam teknologi nano telah menciptakan suatu

kelas fluida baru dan agak khusus, disebut nanofluid. Nanofluid muncul sebagai

fluida yang memiliki potensi yang besar untuk berbagai aplikasi termasuk sebagai

fluida pemindah panas. Istilah nanofluid berarti dua campuran fase, dimana fase

(14)

commit to user

2

padat yang sangat halus, berukuran lebih kecil daripada 100 nm. Dengan

nanofluid, sifat-sifat fluida dapat dirubah dan diprediksikan mempunyai pengaruh

positif pada kinerja mesin Stirling sehingga menarik untuk diteliti lebih lanjut.

Dalam penelitian ini padatan berukuran nano yang dipakai adalah ZnO

karena selain lebih murah dibanding nano partikel lainnya juga karena nano

partikel ZnO telah berhasil diproduksi di Jurusan Teknik Mesin dan Teknik Kimia

Universitas Sebelas Maret. Metode yang digunakan adalah FASP (flame assisted

spray pyrolysis) (Suhendra, B., dkk., 2011).

1.2.Perumusan Masalah

Perumusan masalah dalam tugas akhir ini adalah:

1. Bagaimana unjuk kerja mesin Stirling tipe gamma?

2. Bagaimana pengaruh konsentrasi nano partikel ZnO terhadap unjuk kerja

mesin Stirling?

1.3.Batasan Masalah

Dalam penelitian ini, permasalahan dibatasi pada:

1. Material yang dipakai pada mesin Stirling adalah:

 Silinder panas atau displacer menggunakan alumunium dan pada kepala silinder menggunakan stainlessteel.

 Silinder dingin atau power piston menggunakan besi cor.

 Piston displacer menggunakan aluminium.

 Power piston menggunakan teflon dengan ukuran 3,95 mm.

 Poros engkol mengadopsi dari mesin gergaji.

 Roda gila/flywheel menggunakan bahan besi cor.

2. Volume silinder displacer 104,6 cm³ dan volume silinder power 49,3 cm³

3. Sudut crankshaft 90º.

4. Sumber panas berasal dari listrik (pemanas listrik).

5. Dinding luar silinder panas dijaga konstan 450°C.

6. Fluida kerja yang digunakan adalah:

a. 100% udara

(15)

commit to user

3

c. 5% volume ethanol

d. 10% volume ethanol

e. udara + ZnO

f. Prosentase volume ethanol yang menghasilkan efisiensi terbaik +

ZnO (fraksi volume = 1 x 10-3).

g. Prosentase volume ethanol yang menghasilkan efisiensi terbaik +

ZnO (fraksi volume = 2,5 x 10-3)

h. Prosentase volume ethanol yang menghasilkan efisiensi terbaik +

ZnO (fraksi volume = 5 x 10-3)

1.4.Tujuan dan Manfaat Penelitian

Tujuan dari tugas akhir ini adalah:

1. Menghasilkan prototipe mesin Stirling tipe gamma.

2. Mengetahui pengaruh penambahan ethanol terhadap unjuk kerja mesin

Stirling.

3. Mengetahui pengaruh nanofluid ZnO terhadap unjuk kerja mesin Stirling.

4. Menghasilkan variasi terbaik penambahan nanofluid ZnO terhadap unjuk

kerja mesin Stirling.

Manfaat dari tugas akhir ini adalah:

1. Diperolehnya prototipe mesin Stirling tipe gamma.

2. Diperolehnya data-data ilmiah tentang pengaruh nanofluid ZnO terhadap

(16)

commit to user

4

1.5.Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut:

Bab I : Pendahuluan, menjelaskan tentang latar belakang masalah,

tujuan dan manfaat penelitian, perumusan masalah dan batasan

masalah serta sistematika penulisan

Bab II : Dasar teori, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan

sejarah perkembangan mesin Stirling dan teori tentang mesin

Stirling tipe gamma.

Bab III : Metodologi penelitian, menjelaskan peralatan yang digunakan,

tempat dan pelaksanaan penelitian, langkah-langkah percobaan

dan pengambilan data.

Bab IV : Data dan analisa, menjelaskan data hasil pengujian,

perhitungan data hasil pengujian serta analisa hasil dari

perhitungan.

(17)

pengujian mesin Stirling tipe gama volume 276 cc. Fluida kerja yang digunakan

yaitu udara dan helium dengan memakai sumber panas dari pemanas listrik

dengan rentang suhu berkisar 700-1000°C dan tekanan 1-4 bar. Diperoleh hasil

torsi dan tekanan pada suhu maksimum 1000°C sebesar 2 Nm dan 4 bar (Cinar,

C., dkk., 2005).

Bancha Kongtragool, Somchai Wongwises tahun 2007 melakukan penelitian

tentang performance mesin Stirling tipe Gamma LTD (low temperature

differential). Fluida kerja yang digunakan adalah udara 1 atmosfer dengan

kontruksi dua power piston dan empat power piston dengan pemanas

menggunakan burner. Dihasilkan untuk dua power piston dengan pemanasan

2.355 J/s (589 K) mendapatkan torsi 1,222 Nm pada 67,7 RPM dan power output

maximum 11,8 W pada 133 RPM serta brake thermal efficiency sebesar 0,494%

pada 133 RPM. Untuk empat power piston dengan actual heat input 4.041 J/s

dengan temperatur heater 771 K menghasilkan torsi maksimum 10,55 Nm pada

28,5 RPM, power output 32,7 W pada 42,1 RPM dan brake thermal efficiency

0,809% pada 42,1 RPM (Kongtragool, B., dkk., 2007).

Xiang-Qi Wang dan Arun S. Mujumdar pada tahun 2007 melakukan

penelitian tentang karakteristik perpindahan panas dari nanofluid. Dihasilkan

bahwa nanofluid dapat merubah atau meningkatkan sifat perpindahan panas fluida

yang tersuspensi dengan nanofluid rata-rata sampai dengan 20% (Wang, X. Q.,

dkk., 2007).

Kang, Kuo pada tahun 2010 telah melakukan pembuatan dan pengujian mesin

Stirling tipe gamma dengan desain piston power tunggal dan ganda dengan fluida

kerja udara 1 atm dengan variasi daya untuk sumber panas 156,3 W, 187,6 W dan

223,2 W. Hasilnya menunjukkan bahwa brake thermal efficiency mesin stirling

sebesar 2,57% pada 456 RPM dan 2,9% pada 412 RPM (Kang, S. W., dkk.,

(18)

commit to user

6

Moosavi, Goharshadi dkk pada tahun 2010 telah melakukan produksi,

karakterisasi dan pengukuran dari beberapa sifat fisik dan kimia ZnO nanofluid.

Konduktifitas termal dari ZnO nanofluid telah diukur sebagai fungsi dari fraksi

volume dan temperatur. Konduktivitas termal dari ZnO/EG dan ZnO/G nanofluid

masing-masingnya mengalami peningkatan hingga 10,5% dan 7,2% pada saat

fraksi volume dari nano partikel ditingkatkan sampai 3 % volume (Moosavi, M.,

dkk., 2010).

2.2.Mesin Stirling

Mesin Stirling adalah mesin kalor yang mengambil kalor dari luar silinder.

Sumber kalor apapun, selama temperaturnya cukup tinggi, akan bisa

menggerakkan mesin Stirling ini. Banyak teori yang bisa dijadikan dasar untuk

analisis termodinamik mengenai mesin Stirling. Salah satunya dikemukakan oleh

Schmidt (1871), yang kemudian dikenal dengan nama Schmidt theory. Dalam

perkembangannya, mesin Stirling dapat digunakan sebagai pembangkit listrik

yang menggunakan sumber energi terbarukan, seperti energi matahari (Hirata, K.,

2010).

Ada tiga macam konfigurasi mesin Stirling yang biasa digunakan akan

tetapi perbedaan konfigurasi tersebut tidak berpengaruh terhadap siklus

termodinamika. Konfigurasi tersebut antara lain:

a. Konfigurasi alpha, konfigurasi tersebut menggunakan dua piston pada tiap sisi

pemanas, regenarator, dan pendingin. Pertama-tama piston secara seragam

memiliki persamaan arah untuk menghasilkan proses volume konstan untuk

mendinginkan dan memanaskan gas. Kerja kompresi terjadi pada piston

dingin (cold piston) dan ekspansi terjadi pada piston panas (hot piston).

(19)

commit to user

7

Gambar 2.1 Konfigurasi Alpha (Hirata, K., 2010)

b. Konfigurasi beta, merupakan rancangan penggabungan piston displacer dan

daya dalam silinder yang sama. Displacer membolak-balikkan gas antara

ujung panas dan ujung dingin silinder melewati pemanas, regenerator, dan

pendingin. Power piston biasanya diletakkan pada ujung dingin silinder,

menekan (kompresi) gas kerja ketika gas berada pada ujung dingin dan

mengekspansikan gas kerja ketika gas bergerak ke dalam piston panas.

Gambar 2.2 Konfigurasi beta (Hirata, K., 2010)

c. Konfigurasi gamma, konfigurasi tersebut menggunakan silinder terpisah

antara displacer dan power piston. Displacer membolak-balikkan gas antara

ujung panas dan ujung dingin silinder melewati pemanas, regenerator, dan

pendingin. Power piston pada silinder terpisah dan secara pneumatik

(20)

commit to user

8

Gambar 2.3 Konfigurasi gamma (Hirata, K., 2010)

2.2.1. Siklus Stirling

Gambar 2.4 Siklus Mesin Stirling

Siklus mesin Stirling terdiri atas dua proses isotermal dan dua proses volume konstan. Gambar 2.4 merupakan diagram siklus p-v dan T-s (Daryus, A., 2010).

 Proses 1-2 : Ekspansi isotermal, pada temperatur konstan T1 dari v1 ke v2.

Dalam proses tersebut terjadi penyerapan kalor dari sumber eksternal.

Kalor yang diberikan = kerja selama proses isotermal.

(21)

Kalor yang dilepas ke regenerator (Qreg-in):

)

 Proses 3-4 : Merupakan proses kompresi isotermal dalam silinder mesin dari

v3 ke v4. Dalam proses tersebut kalor dilepaskan oleh udara. Kalor yang

 Proses 4-1 : Merupakan proses pemanasan udara pada temperatur konstan ke

temperatur T1 dengan melewatkan udara ke regenerator dalam arah

berlawanan dengan proses 2-3. Pada proses ini terjadi penyerapan kalor oleh

udara dari regenerator.

Kalor yang diserap udara (Qreg-out)

(22)

commit to user

10

2.2.2. Efisiensi mesin Stirling

Dalam mesin Stirling pun berlaku hubungan bahwa kerja yang dilakukan =

kalor yang disuplai - kalor yang dilepaskan, sehingga efisiensi mesin Stirling (_st) dapat dinyatakan dengan:

 Kerja yang dilakukan = kalor yang disuplai – kalor yang dibuang

= mRT1lnr–mRT3lnr

khusus, disebut nanofluid. Nanofluid adalah larutan yang mengandung partikel

solid yang berukuran nano dan diharapkan memiliki kinerja yang lebih baik

daripada fluida pemindah kalor yang ada sekarang. Hasil eksperimen

menunjukkan indikasi peningkatan konduktivitas thermal dibandingkan dengan

fluida tanpa partikel nano atau fluida dengan partikel yang lebih besar. Adapun

rumus untuk menghitung viskositas, densitas, kapasitas panas dan konduktifitas

panasdari nanofluid sebagai berikut (Fard, M. H., dkk., 2011).

(23)

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id  Kapasitas panas (Cp)

CPnf =

φ φ

(2.10)

Dimana:

CPnf = Kapasitas panas (J/g.K)

CPs = Kapasitas panas padatan (J/g.K)

CPf = Kapasitas panas cairan (J/g.K)

Knf = Konduktivitas panas nanofluid (W/mK)

ks = Konduktivitas panas padatan W/mK

kf = Konduktivitas panas cairan (W/m.K)

kw = Konduktivitas udara (W/m.K) φ = Fraksi volume

2.4.Daya Poros

Daya poros didefinisikan sebagai momen putar dikalikan dengan

(24)

commit to user

12

digunakan untuk mengukur momen putar dan tachometer untuk mengukur putaran

poros engkol. Rumus untuk menghitung daya poros adalah sebagai berikut

P

=

(2.12)

Dimana:

P = Daya poros (Watt)

N = Putaran poros engkol (RPM)

T = Torsi (Nm)

2.5.Efisiensi thermal

Efisiensi thermal menyatakan perbandingan antara daya yang dihasilkan

terhadap jumlah panas yang diperlukan untuk jangka waktu tertentu. Rumus untuk

menghitung efisiensi thermal adalah sebagai berikut:

=

(2.13)

Dimana :

ɳ = Efisiensi thermal

P = Daya poros (Watt)

qin = Panas yang dibutuhkan (Watt)

Pada mesin Stirling, panas yang masuk ke dalam sistem adalah maka

untuk mengukur energi yang masuk kedalam sistem menggunakan alat pengukur

penggunaan energi (kwh meter), jadi qin dapat dirumuskan:

qin = (2.14)

dimana

qin= panas yang dibutuhkan (Watt)

Ein= energi yang diukur dari kwh meter (kwh)

(25)

commit to user

13 BAB III

METODE PENELITIAN 3.1.Tempat Penelitian

Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Konversi Energi Jurusan Teknik

Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta.

3.2.Alat dan Bahan Penelitian

Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian uji unjuk kerja mesin

Stirling tipe gamma dengan fluida kerja nanofluid berbasis ZnO ini antara

lain:

1. Prototipe mesin Stirling tipe gamma

Mesin yang digunakan untuk pengujian unjuk kerja dengan fluida

kerja nanofluid berbasis ZnO.

2. Zinc oxide

Bahan solid partikel untuk variasi pengujian mesin Stirling.

Gambar 3.5 Zinc Oxide (Suhendra, B., dkk., 2011)

3. Ethanol (alkohol)

Sebagai bahan pencampur nanofluid berbasis ZnO.

4. Timbangan digital

Alat untuk menimbang ZnO, dengan spesifikasi kapasitas maksimal

pengukuran berat 51 gram, resolusi pengukuran berat 0,005 gram.

(26)

commit to user

14

5. Gelas ukur

Alat untuk mengukur volume ethanol.

Gambar 3.7 Gelas ukur 1cc-10cc

6. Digital Tachometer

Alat untuk mengukur putaran mesin Stirling. Batas pengukuran

60-50.000 RPM, 1-833 RPS. Jarak pembacaan 10-150 mm.

Gambar 3.8 Digital tachometer

7. Torsimeter

Alat untuk mengukur torsi mesin Stirling. Spesifikasi pengukuran

maks. 15 kg-cm dengan akurasi ± (1,5% + 5 d), resolusi maks. 0,01

kg-cm/0,1 N-cm, resolusi min. 0,1 kg-cm/1 N-cm dan sensor

menggunakan exclusive torque sensor.

(27)

commit to user

15

8. Regulator

Alat untuk mengatur besar kecilnya keluaran tegangan dan arus yang

masuk dari tegangan listrik PLN (220 V) sehingga dapat diatur

menurut kebutuhan. Regulator ini digunakan untuk mengatur

tegangan dan arus pada pemanas listrik mesin Stirling. (Spesifikasi 2

kVA maksimum 8 ampere.).

Gambar 3.10 voltage Regulator

9. Ac clamp- on Ammeter

Alat untuk mengukur arus yang mengalir pada pemanas listrik pada

mesin Stirling. Maksimum pengukuran 400 ampere.

Gambar 3.11 Ac clamp- on Ammeter

10.Unit kWh meter

Alat untuk mengukur besarnya energi yang diperlukan pada pemanas

listrik mesin Stirling (Qin). Menggunakan spesifikasi kWh meter 450

Watt.

(28)

commit to user

16

11.Relay

Alat yang digunakan untuk memutus dan menghubungkan arus yang

mengalir ke pemanas listrik saat temperatur dinding silinder panas

tercapai (450ºC). Spesifikasi relay kontak 5 ampere.

Gambar 3.13 Relay

12.Thermoreader

Alat yang digunakan untuk menunjukkan atau membaca temperatur

yang diukur oleh sensor thermocouple pada dinding luar silinder

panas mesin Stirling.

Gambar 3.14 Thermoreader

13.Thermocouple

Alat atau sensor suhu yang ditempatkan pada dinding luar silinder

panas mesin Stirling. Termokopel yang digunakan tipe-K.

(29)

commit to user

17

14.Stopwatch

Alat untuk mengukur waktu (t) saat mesin Stirling berputar.

Gambar 3.16 Stopwatch

15.Oli

Cairan yang berfungsi sebagai pelumas bagian mesin Stirling yang

bergesekan.

16.Obeng 17.Cutter 18.Gunting 19.Vaslin 20.Alat tulis

3.3.Prosedur Penelitian

Prosedur yang dilakukan pada penelitian ini antara lain :

1. Mempersiapkan variasi nanofluid:

o Menimbang partikel padat (ZnO) dengan timbangan digital.

o _{Mengukur volume bahan pencampur (}_ethanol_{96%) dengan gelas ukur.}

2. Melakukan pelumasan pada bagian atau komponen mesin Stirling dengan

oli.

3. Memastikan tidak ada kebocoran pada bagian mesin Stirling.

4. Mengecek rangkaian pemanas dari regulator, kwh meter dan relay.

5. Menyiapkan variasi fluida kerja pada pengujian mesin Stirling antara lain:

a. 100% udara

b. 1% volume ethanol

c. 5% volume ethanol

d. 10% volume ethanol

(30)

commit to user

18

f. Prosentasevolume ethanol yang menghasilkan efisiensi terbaik + ZnO (fraksi

volume = 1 x 10-3).

g. Prosentase volume ethanol yang menghasilkan efisiensi terbaik + ZnO (fraksi

volume = 2,5 x 10-3)

h. Prosentase volume ethanol yang menghasilkan efisiensi terbaik + ZnO (fraksi

volume = 5 x 10-3)

6. Melakukan pengujian tiap variasi dengan memasukkan ke dalam silinder

displacer.

7. Memastikan rangkaian pemanas terhubung dengan listrik PLN dan

thermocouple terpasang pada dinding luar silinder diplacer dan selanjutya

memutar saklar regulator.

8. Setelah suhu tercapai pada temperatur 450°C, berikan awalan putaran pada

fly wheel supaya mesin Stirling berputar secara kontinyu.

9. Melakukan pengukuran putaran mesin, torsi mesin dan putaran pada kWh

meter selama ± 10 menit.

10.Mencatat hasil pengukuran putaran mesin dengan tachometer, torsi mesin

dengan torsi meter dan pengukuran putaran kWh meter secara visual.

11.Melakukan perhitungan sesuai data yang diperoleh.

12.Melakukan prosedur pengujian variasi berikutnya dengan urutan langkah

(31)

commit to user

19

3.4.Skema Peralatan

Keterangan:

1. Unit mesin Stirling tipe gamma 2. Regulator

3. Unit kwh meter

4. Tang ampere

5. Thermoreader + thermocouple

6. Stopwatch Gambar 3.17 Skema peralatan pengujian

Gambar 3.18 Skema mesin Stirling tipe gamma 2

1

5 3

4

(32)

commit to user

20

3.5.Diagram Alir Penelitian

(33)

commit to user

21 BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1.Pengaruh Penambahan Ethanol Tehadap Efisiensi Mesin Stirling

Pada Gambar 4.1 dan Gambar 4.2 masing-masingnya menunjukkan

hubungan antara torsi dan daya yang dihasilkan oleh mesin Stirling dengan

penambahan fluida kerja ethanol. Torsi mesin mengalami kenaikan dengan

penambahan ethanol 0% volume sampai 5% volume. Perolehan torsi pada ethanol

0% volume sebesar 0,19 N.m, pada ethanol 1% volume diperoleh torsi sebesar

0,28 N.m, pada penambahan ethanol 5% volume torsi mesin diperoleh sebesar

0,30 Nm dan pada penambahan ethanol 10% volume diperoleh torsi sebesar 0,28

Nm. Pada hubungan torsi dengan penambahan ethanol 0% volume sampai dengan

10% volume diperoleh torsi terbesar pada penambahan ethanol 5% volume

sebesar 0,30 Nm. Pada penambahan ethanol 10% volume terjadi penurunan torsi

menjadi 0,28 Nm.

(34)

commit to user

22

Gambar 4.2 menunjukkan bahwa daya mesin Stirling yang diperoleh

semakin meningkat dengan penambahan fluida kerja ethanol 0% volume sampai

dengan ethanol 5% volume. Perolehan daya pada ethanol 0% volume sebesar 4,8

Watt, pada ethanol 1% volume diperoleh daya sebesar 7,6 Watt, pada

penambahan ethanol 5% volume diperoleh daya sebesar 10,6 Watt dan pada

penambahan ethanol 10% volume sebesar 8,5 watt. Dari perolehan besar daya

dapat dinyatakan bahwa dengan semakin besar penambahan ethanol sampai

dengan 5% volume diperoleh daya yang lebih tinggi dan kemudian menurun

seiring dengan bertambahnya ethanol lebih dari 5% volume.

Gambar 4.2. Daya Mesin Stirling yang Dihasilkan dengan Penambahan % Volume Ethanol

Hubungan antara efisiensi dengan penambahan ethanol 0% volume sampai

10% volume yang dihasilkan oleh mesin Stirling seperti pada Gambar 4.3 terlihat

bahwa efisiensi mesin Stirling mengalami peningkatan seiring dengan

penambahan ethanol 0% volume sampai dengan 5% volume. Dari Gambar 4.3

dapat dilihat bahwa efisiensi mesin Stirling pada penambahan ethanol 0% volume

sebesar 1,8%, ethanol 1% volume sebesar 2,8%, sedangkan penambahan ethanol

5% volume dan 10% volume masing-masing diperoleh efisiensi sebesar 3,9% dan

(35)

commit to user

23

Gambar 4.3. Efisiensi Mesin Stirling yang Dihasilkan dengan Penambahan % Volume Ethanol.

Torsi, daya, dan efisiensi yang dihasilkan dari mesin Stirling mengalami

peningkatan seiring dengan penambahan ethanol sampai 5% volume dan

kemudian mengalami penurunan untuk penambahan ethanol lebih dari 5%

volume. Hal ini disebabkan karena dengan penambahan ethanol dapat

meningkatkan perpindahan kalor ke dalam fluida kerja karena ethanol mempunyai

nilai konduktivitas termal yang lebih tinggi dibandingkan fluida kerja udara.

Dengan demikian, energi yang diubah menjadi kerja piston mengalami

peningkatan karena perpindahan panas ke fluida kerja lebih efektif seiring dengan

penambahan ethanol.

Pada sisi lain, ethanol mempunyai massa jenis yang lebih besar

dibandingkan udara sebagaimana dapat dilihat pada Tabel 4.1. Penggunaan fluida kerja bermassa jenis besar justru merupakan kerugian untuk mesin Stirling karena

meningkatkan tahanan aerodinamik sehingga mengurangi kerja piston dari mesin

Stirling. Pada penambahan ethanol 10% volume fluida kerja mempunyai massa

jenis yang lebih besar dibandingkan massa jenis fluida kerja dengan penambahan

ethanol sampai 5% volume, akibatnya tahanan aerodinamik pada penambahan

ethanol 5% volume masih lebih rendah dibandingkan dengan tahanan

aerodinamika pada penambahan ethanol 10% volume, sehingga pengaruh

penambahan panas masih lebih besar dibandingkan pengaruh tahanan

(36)

commit to user

24

aerodinamika. Penambahan ethanol lebih dari 5% volume mengakibatkan massa

jenis fluida kerja meningkat yang tidak diiringi dengan penambahan panas yang

signifikan sehingga menyebabkan penurunan torsi, daya dan efisiensi dari mesin

Stirling.

Tabel 4.1 Sifat- sifat fluida kerja

Sifat Helium Ethanol pada

4.2.Pengaruh Penambahan Nanofluid ZnO Tehadap Efisiensi Mesin Stirling

Tabel 4.2 Pengaruh Penambahan Nano Partikel

Diperoleh Udara Udara + Nano

Stirling mengalami peningkatan. Ini disebabkan karena sifat nano partikel ZnO

memiliki nilai konduktifitas termal yang lebih tinggi dari udara. Dengan

penambahan ZnO menyebabkan peningkatan dari perpindahan panas ke dalam

fluida kerja sehingga panas yang diserap lebih efektif untuk diubah menjadi kerja

(37)

commit to user

25

Gambar 4.4. Torsi Mesin Stirling yang Dihasilkan dengan Penambahan

Nanofluid ZnO

Gambar 4.5. Daya Mesin Stirling yang Dihasilkan dengan Penambahan

Nanofluid ZnO

Pada Gambar 4.4 dan Gambar 4.5 masing-masing grafik menunjukkan

hubungan antara torsi dan daya yang dihasilkan oleh mesin Stirling dengan

penambahan nanofluid ZnO. Torsi mesin mengalami kenaikan dengan

penambahan nanofluid ZnO sampai dengan penambahan fraksi volume nanofluid

ZnO 5x10-3. Pada penambahan ethanol 5% volume torsi mesin diperoleh sebesar

(38)

commit to user

26

1x10-3 diperoleh torsi sebesar 0,36 Nm, pada hubungan torsi dengan penambahan

nanofluid ZnO dengan fraksi volume nanofluid ZnO 2,5x10-3 dan 5x10-3

masing-masingya diperoleh torsi sebesar 0,39 Nm dan 0,42 Nm.

Gambar 4.5 menunjukkan bahwa daya mesin Stirling yang diperoleh

semakin meningkat dengan penambahan nanofluid ZnO sampai dengan

penambahan fraksi volume nanofluid ZnO 5x10-3. Perolehan daya pada

penambahan ethanol 5% volume sebesar 10,6 Watt, fraksi volume nanofluid ZnO

1x10-3 diperoleh daya sebesar 13,4 Watt, fraksi volume nanofluid ZnO 2,5x10-3

diperoleh daya sebesar 15,3 Watt dan fraksi volume nanofluid ZnO 5x10-3

sebesar 17,9 watt. Dari perolehan besar daya dapat dinyatakan bahwa dengan

semakin besar penambahan fraksi volume nanofluid ZnO sampai dengan 5x10-3

masih dapat diperoleh daya yang lebih tinggi.

Gambar 4.6. Efisiensi Mesin Stirling yang Dihasilkan dengan Penambahan

Nanofluid ZnO

Gambar 4.6 menunjukkan hubungan antara efisiensi yang dihasilkan oleh

mesin Stirling dengan penambahan nanofluid ZnO. Dari Gambar 4.6 tersebut

terlihat bahwa efisiensi mesin Stirling mengalami peningkatan seiring dengan

penambahan fraksi volume nanofluid ZnO sampai dengan 5x10-3. Dari hasil grafik

di atas diperoleh efisiensi pada penambahan ethanol 5% volume sebesar 3,9%,

fraksi volume nanofluid ZnO 1x10-3 sebesar 4,7%, sedangkan penambahan fraksi

(39)

commit to user

27

volume nanofluid ZnO 2,5x10-3dan 5x10-3 masing-masing diperoleh efisiensi

sebesar 5,4% dan 6,3%.

Torsi, daya, dan efisiensi yang dihasilkan dari mesin Stirling mengalami

peningkatan seiring dengan penambahan fraksi volume nanofluid ZnO sampai

5x10-3. Hal ini disebabkan dari nilai konduktivitas termal dari masing-masing

fluida dapat dilihat pada Tabel 4.2 bahwa penambahan ZnO mengakibatkan

peningkatan pada nilai konduktivitas termal nanofluid. Dengan demikian energi

yang diubah menjadi kerja piston mengalami peningkatan karena perpindahan

panas ke dalam fluida kerja lebih efektif seiring penambahan fraksi volume

nanofluid sampai 5x10-3, sehingga pengaruh dari penambahan panas masih lebih

besar dibandingkan pengaruh tahanan aerodinamis menyebabkan peningkatan

(40)

commit to user

28 BAB V PENUTUP

5.1Kesimpulan

Dari hasil penelitian yang telah dilakukan, dapat diambil beberapa

kesimpulan yaitu :

1. Pengaruh penambahan ethanol terhadap unjuk kerja mesin Stirling 0%

volume sampai dengan 5% volume mengalami peningkatan pada torsi,

daya dan efisiensi mesin Stirling dan kemudian mengalami penurunan

torsi, daya dan efisiensi mesin Stirling untuk penambahan ethanol lebih

dari 5% volume.

2. Pengaruh penambahan nanofluid ZnO sebagai fluida kerja terhadap

unjuk kerja mesin Stirling yang dihasilkan dari mesin Stirling dengan

fraksi volume 1x10-3 sampai 5x10-3 mengalami peningkatan pada torsi,

daya dan efisiensi.

3. Variasi terbaik untuk peningkatan efisiensi yang dihasilkan mesin

Stirling yaitu pada penambahan ethanol 5% volume sebesar 3,9%

dengan fraksi volume 5x10-3 sebesar 6,3%.

5.2 Saran

Untuk mengembangkan mesin Stirling lebih lanjut, maka penulis ingin

memberikan beberapa saran untuk penelitian berikutnya yaitu :

1. Perlu dilakukan perancangan regenerator pada mesin Stirling dengan

lebih baik.

2. Perlu menyempurnakan desain dan memperbesar kapasitas silinder

dari mesin Stirling yang sudah ada

3. Perlu dilakukan penelitian dengan menggunakan fluida kerja nanofluid