MENGGUNAKAN SISTEM PENDINGIN FLUIDA CAIR
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Sebagai Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh :
HARI SENJAYA RITONGA NIM. 140401070
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
2019
ABSTRAK
Penelitian tentang pengembangan mesin stirling saat ini sedang berkembang terkusus diakibatkan oleh karakteristik mesin stirling yang dapat mengunakan banyak jenis bahan bakar. Perancangan sistem pendingin pada mesin stirling sangat mutlak diperlukan untuk menigkatkan efisiensi dan ketahahan kerja mesin.
Tujuan penelitian ini adalah merancang mesin stirling dengan menggunakan pendingin cairan serta untuk mengetahui performa mesin. Jenis mesin stirling yang digunakan adalah mesin stirling tipe gama yang mempunyai efisiensi lebih tinggi dari jenis mesin stirling lainnya. Mesin stirling yang dirancang berkapasitas 150 ml. Hasil penelitian yang diperoleh dari perancangan mesin stirling menunjukkan bahwa performa mesin maksimum pada penggunaan pendingin cairan, suhu rata-rata pembakaran 694,05 0C dan suhu rata-rata kompresi 48,29
0C didapat putaran mesin 540 rpm dan daya mesin 24,2 watt. Performa mesin tanpa menggunakan pendingin cairan pada suhu rata-rata pembakaran 561,87 0C dan suhu rata-rata kompresi 50,65 0C didapat putaran mesin 444 rpm dan daya mesin 16,42 watt. Dengan demikian dapat disimpulkan penggunaan pendingin cairan pada mesin stirling akan meningkatkan performa dan daya mesin.
Kata kunci : mesin stirling, pendingin cairan, performa
ABSTRACK
Research on the development of the stirling engine is currently being developed due to the characteristics of stirling engines that can use many types of fuel. The design of the cooling system on the Stirling engine is absolutely necessary to improve the efficiency and workability of the engine. The purpose of this study was to design a stirling engine using liquid coolers and to determine engine performance. The type of stirling machine used is a gama type stirling engine which has a higher efficiency than other types of stirling engines. Stirling engine designed with a capacity of 150 ml. The results obtained from the design of the stirling engine showed that the maximum engine performance in the use of liquid coolers, the average combustion temperature was 694.05 0C and the average temperature of compression was 48.29 0C and the engine speed was 540 rpm and the engine power was 24.2 watt. Engine performance without using liquid coolant at an average temperature of combustion of 561.87 0C and the average temperature of compression of 50.65 0C obtained engine speed of 444 rpm and engine power of 16.42 watts. Thus it can be concluded that the use of liquid cooling on the Stirling engine will improve engine performance and power.
Keyword : stirling engine, liquid cooland, performance
KATA PENGANTAR
Syukur kepada Tuhan yang maha kuasa atas berkat dan penyertaannya penulis dapat menyelesaikan tugas skripsi ini sebagai syarat kelulusan tingkat strata satu di Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
Skripsi ini berjudul “Rancang Bangun Mesin Stirling Tipe Gama Berkapasitas 157 ml Menggunakan Sistem Pendingin Fluida Cair”. Dalam penulisan skripsi ini banyak tantangan yang di alami, namun penulis berupaya menyelesaikannya dengan segala kemampuan, bimbingan dan dorongan dari berbagai pihak. Oleh karena itu penulis mengucap terimakasih kepada :
1. Bapak Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, D,E,A selaku dosen pembimbing yang membimbing dan membantu memberikan solusi dalam masalah penulisan skripsi ini.
2. Bapak Dr. Ir. M. Sabri, M.T selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
3. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan saya selama saya kuliah.
4. Ansori bubut marelan yang telah membantu dalam proses produksi alat penelitian skripsi ini.
5. Rekan satu tim yaitu Wilgen Brata Simanjuntak, Presno Sendi Simamora dan Juventus Eggy Sibero yang bekerja dengan semangat sampai skripsi ini selesai.
6. Tim Chapel dan KTB yang selalu memberi dukungan doa dan semangat.
7. Seluruh rekan mahasiswa angkatan 2014, para abang dan kakak senior, serta semua rekan mahasiswa Teknik Mesin terkhusus “Menerjang Badai” yang selalu mendukung dan memberi semangat serta nasihat kepada saya.
Penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi pengembangan skripsi ini dimasa mendatang agar bermanfaat bagi semua orang.
Atas perhatiannya penulis mengucapkan Terimakasih.
Medan, Juli 2019 Penulis,
Hari Senjaya Ritonga NIM. 140401070
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
ABSTRACK ... ii
KATA PENGANTAR ... iii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR GAMBAR ... vii
DAFTAR TABEL ... ix
DAFTAR NOTASI ... x
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Tujuan Penelitian ... 2
1.3 Batasan Masalah ... 2
1.4 Manfaat Penelitian ... 3
1.5 Metodologi Penulisan ... 3
1.6 Sistematika Penelitian ... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1 Mesin Stirling ... 5
2.1.1 Prinsip kerja mesin stirling ... 8
2.1.2 Siklus kerja mesin stirling ... 9
2.1.3 Jenis mesin stirling ... 11
2.1.4 Sistem pendingin mesin stirling ... 13
2.2 Temodinamika ... 14
2.2.1 Sistem termodinamika ... 14
2.2.2 Kerja yang dilakukan sistem ... 16
2.2.3 Persamaan gas Ideal ... 17
2.3 Persamaan Schmidt ... 18
2.3.1 Energi Indikator, Power, dan Efisiensi ... 22
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 24
3.1 Parameter Perancangan... 24
3.1.1 Paremeter hitung ... 24
3.1.2 Parameter ukur ... 25
3.2 Metode Pelaksanaan Rancang Bangun ... 26
3.3 Tempat dan Waktu Penelitian ... 27
3.4 Alat Dan Bahan ... 27
3.4.1 Alat ... 27
3.4.2 Bahan ... 30
3.5 Komponen Mesin Stirling ... 30
3.5.1 Silinder Displacer... 30
3.5.2 Silinder Power ... 33
3.5.3 Poros Engkol ... 33
3.5.4 Piston... 34
3.5.5 Flywheel ... 36
3.5.6 Dudukan Mesin ... 36
3.5.7 Penutup Silinder Displacer ... 37
3.5.8 Connecting Rod Displacer ... 38
3.5.9 Connecting Rod Power ... 38
3.5.10 Batang ... 39
3.6 Pengambilan Data ... 39
BAB IV HASIL DESAIN DAN PEMBAHASAN ... 41
4.1 Asembli Mesin Striling ... 41
4.2 Data Hasil Penelitian ... 41
4.3 Perhitungan Berdasarkan Analisis Schmidt ... 43
4.3.1 Perhitunganvolume kerja mesin stirling ... 43
4.3.2 Perhitungan tekanan, energi, dan daya yang dihasilkan mesin stirling dengan menggunakan pendingin ... 47
4.3.3 Perhitungan tekanan, energi, dan daya yang dihasilkan mesin stirling tanpa menggunakan pendingin ... 52
4.4 Analisis Unjuk Kerja Mesin ... 58
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 60
5.1 Kesimpulan ... 60
5.2 Saran ... 61 DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN 1 DATA HASIL PENGUJIAN
LAMPIRAN 2 GAMBAR RANCANGAN MESIN STIRLING
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Robert stirling ... 5
Gambar 2.2 Mesin stirling ... 6
Gambar 2.3 Gas yang dipanasi dalam silinder tertutup ... 9
Gambar 2.4 Langkah piston mesin stirling ... 10
Gambar 2.5 Pada gambar (a) diagram p-v, gambar (b) diagram t-s ... 11
Gambar 2.6 Mesin stirling tipe alpa ... 12
Gambar 2.7 Mesin stirling tipe beta ... 12
Gambar 2.8 Mesin stirling tipe gama ... 13
Gambar 2.9 Sistem tertutup... 14
Gambar 2.10 Sistem terbuka ... 14
Gambar 2.11 Mesin strirling tipe gama... 19
Gambar 3.1 Diagram alir proses perancangan mesin stirling ... 25
Gambar 3.2 Data akuisisi temperatur ... 26
Gambar 3.3 Termokopel tipe j ... 27
Gambar 3.4 Termokopel tipe k ... 27
Gambar 3.5 Timbangan digital ... 28
Gambar 3.6 Tachometer ... 28
Gambar 3.7 Flow meter... 29
Gambar 3.8 Displacer panas ... 30
Gambar 3.9 Displacer dingin ... 31
Gambar 3.10 Silinder power ... 32
Gambar 3.11 Poros engkol ... 33
Gambar 3.12 Piston displacer ... 34
Gambar 3.13 Piston power ... 34
Gambar 3.14 Flywheel ... 35
Gambar 3.15 Dudukan mesin ... 36
Gambar 3.16 Penutup silinder displacer ... 36
Gambar 3.17 Connecting rod displacer ... 37
Gambar 3.18 Connecting rod power ... 37
Gambar 3.19 Batang... 38
Gambar 4.1 Asembli mesin stirling ... 40
Gambar 4.2 Diagram P-V dengan menggunkan pendingin ... 50
Gambar 4.3 Diagram P-V tanpa menggunkan pendingin ... 55
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Parameter mesin stirling... 41 Tabel 4.2 Data pengujian menggunkan pendingin ... 41 Tabel 4.3 Data pengujian tanpa menggunakan pendingin ... 42 Tabel 4.4 Perbandingan tekanan dan volume kompresi pada penggunaan
pendingin ... 50 Tabel 4.4 Perbandingan tekanan dan volume kompresi pada penggunaan
pendingin ... 55 Tabel 4.6 Data hasil pengujian putaran mesin berdasarkan pembebanan ... 57
DAFTAR NOTASI
Notasi Keterangan Satuan
P tekanan mesin Pa
Vse volume bersih ekspansi ml
Vde volume mati ekspansi ml
Vsc volume compresi ml
Vdc volume mati compresi ml
Dx sudut pasa deg
Ve volume ekspasi ml
Vc volume compresi ml
X sudut putar deg
V volume total ml
M massa total fluida kerja kg
Tc suhu compresi 0C
Te suhu ekspansi 0C
T rasio suhu compresi dan ekspansi
R tetapa gas kostan j/kg.K
Xdc rasio volume mati compresi Xde rasio volume mati ekspansi
Xr rasio volume regenerator
Pmean tekanan rata-rata silinder Pa
Pmin tekanan minimum silinder Pa
Pmax tekanan masimum silinder Pa
We energi silinder ekspasi J
Wc energi silinder kompresi J
Wi energi total J
Lc indikator daya kompresi Watt
Le indikator daya ekspansi Watt
Li indikator daya total Watt
N putaran mesin rpm
E efisiensi mesin %
Q kalor J
Δu perubahan energi dalam J
W kerja yang dilakukan sistem J
F gaya N
S jarak m
T torsi Nm
R jari-jari poros m
Wsh daya poros Watt
1.1 Latar Belakang
Energi merupakan kebutuhan terbesar umat manusia, semakin bertambahnya populasi umat manusia maka konsumsi akan energi akan semakin bertambah. Salah satu sumber energi terbesar yang digunakan manusia adalah energi dari fosil. Hampir semua kegiatan produksi dan transfortasi menggunakan energi fosil sebagai bahan bakar. Penggunaan energi fosil yang secara terus menerus mengakibatkan persediaannya semakin lama semakin habis. Disamping persediaannya yang terbatas, penggunaan energi fosil sebagai sumber bahan bakar menyumbang polusi yang besar terhadap lingkungan.
Cara yang di dapat gunakan untuk mengurangi penggunaan energi fosil adalah dengan mengembangkan teknologi dengan efisiensi penggunaan bahan bakar yang lebih maksimal serta pengembangan teknologi yang memanfaatkan energi terbarukan sebagai sumber energi utama. Sumber energi terbarukan diharapkan dapat dimaksimalkan di masa yang akan datang adalah energi matahari, energi angin, energi air, biomassa dan lain-lain.
Mesin stirling adalah mesin pembakaran luar siklus tertutup yang sudah di temukan sejak lama oleh Robers Stirling pada tahun (1790-1878). Perkembangan mesin ini tidak begitu pesat dikarenakan ukuran mesin yang cukup besar, tapi daya yang dihasilkan kecil. Berbeda dengan mesin pembakaran dalam seperti mesin Diesel dan mesin Otto yang mempunyai output daya yang lebih besar dibandingkan dengan ukuran yang sama pada mesin stirling. Namun, kerena persediaan energi fosil yang sudah mulai habis, kenaikan harga energi dan kepedulian terhadap lingkungan, maka pengembangan mesin stirling mulai di galakkan kembali. Hal ini terjadi karena mesin striling dapat digerakkan dengan berbagai sumber panas, seperti : Matahari dan Nuklir.
Prisip kerja mesin stirling adalah dengan memanfaatkan perubahan tekanan dan volume akibat panas pada sistem tertutup. Panas yang diberikan pada salah piston menyebabkan udara didalamnya mengembang sehinga piston bergerak mendorong udara ke bagian piston udara dingin, kerena penurunan suhu
ini volume gas berkurang maka sistem di piston dingin menerima kerja kompresi yang menyebakan volume gas kembali ke keadaan awal. Proses ini akan berkerja secara berulang ulang sehingga menghasilkan gerak rotasi pada poros engkol.
Sebelumnya, beberapa penelitian tentang mesin Stirling. Othman, M.
Murthada, dkk [1] mendesain stirling tipe gamma berukuran kecil dengan sumber energi terbarukan sebagai sumber pembakarannya.
Alex Yerbury, Alex Coote, dkk [2]. Melakukan penelitian terhadap mesin stirling dengan judul “Design of a Solar Stirling Engine for Marine and Offshore Applications” menggunakan energi matahari sebagai sumber panas mesin yang diterapkan pada lingkungan angkatan laut dan pengeboran lepas pantai.
Selanjutnya penelitian oleh Eppard [3], yang berjudul “Study of Cross- flow Cooling Effects in a Stirling Engine Heat Exchanger” membahas tentang metode untuk menurunkan suhu daerah dingin dengan meningkatkan perpindahan panas di pendingin menggunakan fluida air sebagai pendingin.
Menjaga perbandingan suhu pada silinder displacer dan silinder kompresi mesin stirling sangat diperlukan karena akan mempengaruhi efisiensi kerja dari mesin. Oleh karena itu dengan merancang sistem pendingin pada mesin stirling serta menganalisi dampak dari penggunaan pendingin cairan sangat membantu dalam meningkatkan performa mesin.
1.2 Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah :
1. Merancang dan membuat model pendingin cairan pada mesin stirling.
2. Menentukan dimensi perancangan mesin stirling berdasarkan analisis schmidt.
3. Menghitung performa maksimum mesin dengan menggunakan pendingin cairan dan tanpa menggunakan pendingin cairan dan daya mesin berdasarkan pengukuran torsi.
1.3 Batasan Masalah
1. Menggunakan air sebagai cairan pendingin 2. Menggunakan udara sebagai fluida kerja
3. Dianggap sebagai siklus gas ideal
1.4 Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah :
1. Menghasilkan desain mesin stirling tipe gama dengan media pendingin cairan.
2. Mengetahui performa mesin stirling dengan menggunakan pendingin cairan dan tanpa menggunakan pendingin cairan.
1.5 Metodologi Penulisan
1. Studi literatur, yaitu melakukan penelaahan dari buku-buku dan jurnal yang berhubungan dengan proses desain mesin stirling
2. Eksperimen, yaitu melakukan percobaan atau pengujian pada alat yang telah di desain
3. diskusi
1.6 Sistematika Penulisan
Sistematika penlisan skripsi ini dibagi dalam beberapa bab sebagai berikut : BAB I : PENDAHULUAN
Bab ini berisikan tentang latar belakang masalah, Tujuan penelitian, mamfaat penelitian, batasan masalah, metodologi penulisan dan sistematika penulisan.
BAB II : TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini berisikan teori dasar mengenai desain stirling, metode perhitungan, konstruksi dan geometri mesin stirling yang diambil dari berbagai sumber, diantaranya : buku, jurnal, paper, dan tugas akhir.
BAB III : METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini berisikan tentang waktu dan tempat penelitian, alat yang digunakan, dan metode pelaksanaan.
BAB IV : DESAIN DAN PEMBAHASAN
Bab ini berisi tentang desain alat dan pembahasan dari penelitian yang dilakukan
BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini sebagai penutup yang berisi kesimpulan dan saran dari hasil penelitian
DAFTAR PUSTAKA
Berisi refernsi tentang literatur yang digunakan untuk penulisan laporan.
LAMPIRAN
Lampiran berisikan data hasil pengujian dan gambar desain alat.
2.1 Mesin Stirling
Mesin Stirling adalah alat mekanis yang beroperasi pada siklus termodinamika regeneratif tertutup dengan siklus kompresi dan ekspansi dari fluida kerja pada tingkat suhu yang berbeda [4].
Mesin stirling ditemukan dan di patenkan pada tahun 1816 oleh Robert Stirling (1790-1878). Saat itu mesin stirling dan sejenisnya masih disebut mesin gas regeneratif siklus tertutup. Ini adalah penemuan menakjubkan dari jenisnya, jauh lebih baik dari semua pengetahuan ilmiah terkait saat itu. ia mematenkan temuan itu pada 27 September 1816 [5] dan berlaku efektif 20 Januari 1817.
Seratur tahun kemudian oleh insinyur belanda Rolf Meijer menamakan semua tipe mesin gas regeneratif siklus tertutup dengan mesin stirling dengan berlandaskan nama penemunya.
Gambar 2.1 Robert Stirling [6]
Pengembangan mesin stirling terus dilakukan oleh para inventor ternama untuk meningkatkan perkembangan dalam hal unjuk kerja dan efisiensi, sehingga sekitar tahun 1850 seorang penemu dan insinyur berkewarganegaraan Swedia, J Ericsson memproduksi mesin stirling secara besar-besaan untuk pertama kalinya dan berhasil dalam fabrikasi mesin stirling dan menjual hingga 2.000 unit mesin ukuran 0.5-5 hp di Inggris dan Amerika. Pada pertengahan abab ke-19 penggunaan mesin striling mulai di tinggalkan, hal ini disebabkan karena
ditemukannya mesin pembakaran internal yang mempunyai unjuk kerja yang lebih tinggi.
Gambar 2.2 mesin stirling [6]
Kekurangan utama dari mesin udara panas ini adalah kecenderungannya gagal operasi ketika silinder yang dipanaskan menjadi terlalu panas, walaupun hal itu kemudian dapat diatasi setelah ditemukannya economiser atau yang sekarang disebut regenerator yang dapat mencegah panas lebih, serta aman pada mesin dengan daya rendah, Namun tetap saja penyempurnaan ini tidak mampu meningkatkan daya saing mesin ini terhadap mesin-mesin pembakaran internal yang bermunculan dipasaran dengan harga jauh lebih murah.
Penemuan baru baja tahan karat (stainless steel) dan berkembangnya pengetahuan pada proses mesin termodinamik yang kompleks, mengawali temuan mesin-mesin baru, menjelang dan sesudah perang Dunia ke II. Desain mesin udara panas disempurnakan, dengan bobot dan harga yang lebih murah, konstruksi dan operasinya yang mudah. Mesin stirling mendapat perhatian kembali tahun 1940-an setelah Philips Co mulai mengembangkan mesin stirling sebagai pembangkit listrik portabel yang diunakan untuk sumber daya pada radio.
Pada tahun 1980, USAID ( Agen AS untuk bantuan pengembangan internasional) mendanai pengembangan pembuatan mesin Stirling untuk negara- negara berkembang, dan itu dimulai dari Bangladesh. Dari sinilah berawal prospek pengembangan dan pemanfaatan mesin Stirling untuk negara-negara
mesin yang murah dan hemat energi dengan menggunakan udara atau gas (helium, hydrogen, nitrogen, methanol) sebagai fluida kerjanya.
Kebijakan penghematan energi pun meningkatkan pengembangan mesin stirling. Mesin stirling dengan berbagai sumber energi kembali dikembangkan para peneliti di dunia. Beberapa mesin dengan efisiensi tinggi dikembangkan. Saat ini mesin stirling hanya digunakan secara komersial sebagai pompa panas, terutama digunakan untuk pendinginan kriogenik dan pencairan udara.
Mesin stirling mempunya beberapa ke untungan di banding mesin yang lainnya seperti di bawah ini [6] :
1. beroperasi pada banyak sumber panas
Mesin stirling ini tidak bergantung pada bahan bakar tertentu sepeti mesin Diesel dan mesin otto, tetapi pada berbagai sumber bahan bakar seperti : pembakaran biomassa, limbah panas dari industri, bahan bakar fosil, energi matahari sapai kepada energi nuklir.
2. tingkat kebisingan yang rendah
Hal ini diakibatkan karena mesin stirling mempunyai komponen yang lebih sedikit dibanding dengan mesin pembakaran dalam pada umumnya.
3. interval perawatan yang lebih lama
Suku cadang yang terpasang dalam mesin tidak memmpunyai kontak langsung dengan lingkungan sekitar dengan demikian tidak ada polutan yang masuk ke dalam mesin.
4. efisiensi tinggi
Mesin stirling jika dirancang dengan tepat, berpotensi mempunyai efisiensi yang tinggi bahkan hampir sama dengan mesin diesel berbeban besar.
5. lebih sedikit pulusi
Mesin memungkinkan menghasilkan polusi yang lebih sedikit dikarenakan dapat menggunakan sumber bahan bakar yang energi terbarukan seperti matahari. Dan kalaupun menggunakan energi fosil mesin stirling msih menghasilkan sedikit fosil kare proses pembakaran yang berkelanjutan.
Kekurangan dari penggunaan mesin striling dibanding mesin pembakaran dalam adalah [6].
1. ukuran dan berat
mesin stirling dengan kinerja yang sama dengan mesin pembakaran dalam mempunyai dimensi dua kali lebih besar
2. pelumasan
mesin stirling umumnya membutuhkan pelumasan yang lebih tahan suhu tinggi dibandingkan dengan mesin pembakaran dalam
3. perpindahan panas
Jika pada mesin pembakaran dalam perpindahan panas terjadi didalam silinder untuk memberikan kerja pada piston tenaga, maka mesin stirling perpindahan panas terjadi di luar silinder. Hal ini mengakibatkan fluks panas yang dihasilkan pada mesin pembakaran dalam jauh lebih tinggi dari mesin strirling.
4. kontrol
Aliran bahan bakar dan udara ke mesin pembakaran dalam dikontrol dan di sesuaikan dengan perubahan langsung terhadap beban. Sedangkan pada mesin stirling susah untuk mencapai respon yang dinamis dengan respon yang cepat.
2.1.1 Prinsip Kerja Mesin Stirling
Mesin stirling bekerja berdasarkan prinsip siklus tertutup termodinamika.
Piston dalam silinder dapat bergerak karena adanya energi yang diberikan dalam bentuk panas kepada silinder dari sisi luar silinder. Panas yang diberikan mengakibatkan pertambahan volume pada fluida dalam silinder. Seperti pada gambar dibawah.
Gambar 2.3 Gas yang dipanasi dalam silinder tertutup [7]
Karena sistem dalam keadaan tertutup maka tidak ada gas yang keluar sehingga pertambahan volume gas karena pemanasan menimbulkan perubahan tekanan yang cukup besar. Tekanan yang dihasilkan ini kemudian digunakan untuk menggerakan piston. Sementara itu gas penggerak menyusup ke ruangan yang dingin, dengan melepas panas pada saat bersamaan. Karena penurunan suhu ini volume gas berkurang dan sisitem menerima kerja kompresi yang menyebabkan volume gas kembali ke keadaan awal. Keadaan tersebut terjadi berulang secara periodik sehingga terjadi gerakan piston naik turun yang di konversi menjadi gerak rotasi di poros engkol.
2.1.2 Siklus Kerja Mesin Stirling
Mesin striling adalah mesin panas yang beroperasi sesuai dengan siklus gas ideal seperti pada gambar 2.5. Siklus ini terdiri dari dua fase isotermal dan dua fase isometrik [8]. Untuk melihat bagaimana piston dapat menghasilkan daya dapat dilihat pada gambar 2.4. Selama perubahan 2 ke 3 dan perubahan 4 ke 1 tidak ada kerja mekanis yang dihasikan (asumsi gesekan dihilangkan) karena volume tetap konstan. Selama perubahan 1 ke 2 gas dikompresi sehingga kerja dilakukan pada sistem. Sementara perubahan 3 ke 4 gas mengalami ekspansi karana kenaikan suhu pada silinder panas sehingga sistem melakukan kerja. Kerja
ini akhirnya melebihi kerja kompresi karena terjadi kenaikan suhu yang tinggi pada volume yang tetap. Kelebihan kerja ini yang akan menjadi kerja per siklus [8].
Pada gambar 2.4 dibawah di jelaskan bagaiman proses kerja pada piston mesin sirling.
Gambar 2.4 langkah piston mesin stirling [8]
4 3 2
1
(a) (b)
Gambar 2.5 pada gambar (a) Diagram P-V, gambar (b) diagram T-S [9]
Siklus tersebut terdiri dari empat proses reversibel internal yang berurutan:
[9]
1. Kompresi isotermal dari 1 2 pada temperatur Tc, panas Q1 keluar dari sistem dan kerja dilakukan terhadap sistem.
2. Pemanasan pada volume konstan dari 2 3 suhu naik dari TC ke TH dan tekanan juga naik dari P2 ke P3, tidak ada kerja yang dilakukan.
3. Ekspansi isotermal dari 3 4 pada temperatur TH panas Q2 masuk ke dalam sistem, sementara kerja dilakukan oleh sistem.
4. Pendinginan pada volume konstan dari 4 1, suhu turun dari T4 ke T1 dan tekanan juga turun dari P4 ke P1, tidak ada kerja yang dilakukan.
2.1.3 Jenis Mesin Stirling 1. Alpha Stirling
Mesin Stirling alpha adalah mesin yang mempunyai dua piston terpisah.
satu berada di daerah panas atau piston displacer dan satu lagi daerah dingin yang dipisahkan oleh heater, regerator, serta cooler. Jenis mesin ini memiliki rasio kompresi yang tinggi dan desain yang lebih simpel, namun memiliki masalah teknis karena apabila suhu piston tinggi biasanya panas akan merambat ke pipa
pemisah silinder. Dalam prakteknya, piston ini biasanya membawa isolasi yang cukup besar untuk bergerak jauh dari zona panas dengan mengorbankan beberapa ruang mati tambahan.
Gambar 2.6 mesin stirling tipe alpa [10]
2. Beta Stirling
Mesin Stirling beta memiliki satu silinder yang sama untuk piston displacer dan piston power. Silinder Piston displacer yang cukup longgar hanya berfungsi untuk antar jemput gas panas dari silinder panas ke silinder dingin.
Ketika silinder dipanaskan gas mendorong dan memberikan piston kekuatan.
Ketika piston terdorong ke dingin (titik bawah) silinder mendapat momentum dari mesin, dan ditingkatkan dengan roda gila. Mesin ini mempunyai desain yang lebih kompleks dari tipe mesin lainnya.
Gambar 2.7 mesin stirling tipe beta [10]
3. Gama Stirling
Mesin Stirling gama hanyalah sebuah mesin Stirling beta, di mana piston tenaga sudah terpasang di dalam silinder yang terpisah samping silinder piston displacer, tapi masih terhubung ke roda gila. Konfigurasi ini menghasilkan rasio kompresi lebih rendah, tetapi mekanis ini cukup sederhana dan sering digunakan didalam mesin Stirling multi-silinder.
Gambar 2.8 Mesin stirling tipe gama [10]
2.1.4 Sistem pendingin mesin
Ada dua jenis pendingin yang digunakan pada mesin stirling yaitu pendingin mengunakan sirip dan pendingin menggunakan fluida cair. Fungsi dari pendingin ini sendiri adalah untuk menjaga perbandingan suhu kompresi dan suhu espansi tetap optimal sehingga dapat meningkatkan kinerja mesin serta untuk menyerap kelebihan panas pada silinder pembakaran yang dapat mengakibatkan kerusakan komponen mesin.
1. Sistem pendingin udara
Pendingin jenis udara adalah pendingin yang menggunakan sirip sebagai pemindah panas pada silinder panas untuk mendinginkan silinder. Jenis pendingin ini biasanya deterapkan pada mesin stirling yang menggunakan volume mesin kecil dan daya kecil. Kekurangan dari jenis pendingin ini adalah tidak dapat menyerap panas secara maksimal ketika mesin dioperasikan secara terus menerus.
2. Sistem pendingin cair
Sistem pendingin cair adalah sistem pendingin yang menggunakan fluida cair untuk mendinginkan silinder panas. Pendingin ini sangat baik digunakan karena sebagian panas dari ruang bakar diserap oleh dinding silinder, akan tetapi perawatannya lebih rumit, selain itu biaya yang dikeluarkan untuk perawatan sistem pendingin ini lebih besar dibandingkan dengan sistem pendingin udara.
karena ruang bakar diselimuti oleh air yang berada di water jacket. Jenis pendingin ini diterapkan pada mesin stirling yang menggunakan pemanasan yang tinggi. Hampir semua jenis mesin stirling yang di produksi dengan daya yang besar menggunakan pendingin cair sebagai pendingin mesin.
2.2 Termodinamika
Termodinamika secara luas bisa didefinisikan sebagai luas atau ruang tertentu dimana proses termodinamika terjadi. Atau suatu daerah dimana perhatian kita difokuskan dalam mempelajari proses termodinamika. Sedikit observasi akan memperlihatkan bahwa sistem termodinamika mempunyai batas sistem, dan segala sesuatu yang ada di luar batas sistem disebut lingkungan. Batas sistem ini bisa saja berupa batas tetap seperti pada tangki yang berisi gas yang terkompresi, atau batas bergerak seperti yang dijumpai pada sejumlah volume cairan di dalam saluran pipa.
2.2.1 Sistem Termodinamika
Sistem termodinamika bisa diklasifikasikan ke dalam tiga kelompok:
1. Sistem tertutup
Sistem tertutup adalah sistem dimana massa berada pada jumlah yang tetap atau konstan. Tidak ada massa yang keluar atau masuk melewati batas sistem, tetapi energi dalam bentuk panas dan kerja dapat melewati batas sistem.
Seperti yang ditunjukkan pada gambar dibawah.
Gambar 2.9 Sistem tertutup [7]
2. Sistem terbuka
Sistem terbuka atau volume atur adalah sistem dimana zat dapat melewati batas sistem. Pada sisem tertutup biasaya menggunakan alat yang mengalirkan massa seperti compresor, nozel, dan turbin.
Gambar 2.10 Sistem terbuka [7]
3. Sistem terisolasi
Adalah sebuah sistem yang sama sekali tidak dipengaruhi oleh lingkungannya. Sistem ini massanya tetap dan tidak ada panas atau kerja yang melewati batas sistem.
2.2.2 Kerja yang dilakukan Sistem
Usaha adalah gaya konstan yang diberikan pada sebuah benda untuk memindahkan sejauh s dari keadaan semula [11]. Dirumuskan sebagai berikut
W = FS (2.3)
Jika gaya yang diberikan tidak dalam keadaan konstan maka usaha yang diperoleh dirumuskan sebagai berikut.
W =
∫ 𝐹 𝑑𝑠
𝑠1𝑠2 (2.4)Kerja yang dilakukan pada sebuah sistem oleh gaya luar yang bekerja searah putaran adalah negatif, dan kerja yang dilakukan oleh sebuah sistem terhadap gaya luar pada arah yang berlawanan adalah positif.
Ada dua persyaratan untuk sebuah interaksi sistem dan lingkungan yaitu : 1. harus ada gaya yang bekerja pada batas sistem
2. batas dari sistem harus bergerak.
Dari buku termodinamika karangan cengel dan boles untuk menghitung daya yang bekerja pada poros dapat ditentukan dari persamaan di bawah ini [7].
T = Fr F = 𝑇
𝑟
(2.5)
Dimana :
T = torsi (Nm) F = gaya (N) r = jari-jari (m)
Jarak yang ditempuh s adalah jumlah putaran dari poros dikali denga keliling poros. Dirumuskan dibawah ini
s = (2πr)n (2.6)
Dimana :
s = jarak yang ditempuh (m) r = jari-jari (m)
n = putaran (rpm)
kerja yang dilakukan oleh poros persatuan waktu dirumuskan [7]. Sebagai berikut.
Wsh = Fs =
(
𝑇𝑟
)
(2πr.n)Wsh = 2πnT (2.7)
Dimana :
Wsh = daya poros (wat t) n = putaran (rpm)
2.2.3 Sifat dan Persamaan Gas Ideal
Gas sempurna (atau gas ideal) bisa didefinisikan sebagai suatu keadaan zat, yang penguapannya dari kondisi cair berlangsung sempurna. Oksigen, nitrogen, hidrogen dan udara, pada batas temperatur tertentu, bisa juga disebut sebagai gas sempurna.
Hukum Gas Sempurna
Sifat fisik gas dikontrol oleh tiga variabel berikut:
1. Tekanan yang digunakan oleh gas.
2. Volume yang ditempati oleh gas.
3. Temperatur gas.
Persamaan Karakteristik Gas
Adalah modifikasi dari persamaan gas umum. Jika volume (v) pada persamaan gas umum dinyatakan dalam per 1 kg gas (disebut dengan volume spesifik, dan dilambangkan dengan vs) maka konstanta C (pada persamaan gas umum) bisa diwakili dengan konstanta lain R ( pada persamaan karakteristik gas).
Sehingga persamaan gas umum bisa ditulis ulang sebagai
p.vs = RT (2.12)
disini R disebut konstanta gas karakteristik atau secara sederhana disebut konstanta gas. Untuk sembarang massa m kg, persamaan gas karakteristik menjadi:
m.p.vs = mRT (2.13)
p.v = mRT (2.14)
2.3 Persamaan Smitch
Teori Schmidt adalah salah satu metode perhitungan isotermal untuk mesin Stirling. Ini adalah metode yang paling sederhana dan sangat berguna selama pengembangan mesin Stirling. Teori ini didasarkan pada ekspansi isotermal dan kompresi gas ideal. Performa mesin dapat dihitung menggunakan diagram P-V. Volume dalam mesin dapat dihitung dengan menggunakan geometri internal. Ketika volume, massa fluida bekerja dan suhu ditentukan, tekanan dapat dihitung dengan menggunakan metode persamaan gas ideal seperti yang ditunjukkan dibawah ini. [10]
PV = mRT
Berikut beberapa asumsi yang digunakan untuk menentukan Perhitungan mesin Stirling.
a) Tidak ada pressure loss dan tidak ada perbedaan internal pressure.
b) Proses ekspansi dan proses kompresi berlangsung secara isothermal.
c) Kondisi fluida kerja adalah udara sebagai gas ideal.
d) Terjadi regenerasi sempurna.
e) Volume sisa pada silinder panas menjaga temperatur gas pada silinder panas –TE , volume sisa pada silinder dingin menjaga temperatur gas pada silinder dingin –TC selama siklus.
f) Temperatur pada regenerator adalah rata-rata ekspansi –TE, dan temperatur kompresi -Tc .
g) Volume ekspansi (Ve) dan volume kompresi (Vc) berubah berdasarkan fungsi sinusida.
Gambar 2.11 mesin strirling tipe gama [10]
Gambar 2.11 Menunjukkan geometri perhitungan mesin stirling tipe gama.
Volume ekspansi momental – VE, dan volume compresi momental – VC
dideskripsikan pada persamaan dibawah ini dengan sudut putar –x. Sudut putar didefinisikan sebagai x=0 ketika piston ekspansi (piston pada silinder panas) berada pada posisi TMA. Sudut phasa –dx yaitu sudut antara piston displacer dan piston compresi.
VE = 𝑉𝑆𝐸
2 (1-cos x) + VDE (2.15)
Dimana :
VE = volume ekspansi sesaat (m3)
VSE = volume satuan piston ekspansi atau displecer (m3) x = sudut engkol
VDE = Volume ruang mati titik ekspansi (m3)
Volume kompresi sesaat –Vc dapat dihitung dengan persamaan (1) dan sudut fase -dx
VC = 𝑉𝑆𝐸
2 (1- cos x) + 𝑉𝑆𝐶
2 {1- cos(x-dx)}+ VDC (2.16) Dimana :
VC = Volume kompresi sesaat (m³)
VSE = Volume sapuan piston ekspansi atau displacer (m³) x = sudut engkol
VSC = Volume sapuan piston kompresi atau piston daya (m³)
dx = sudut fase
VDC = Volume titik mati ruang kompresi (m³)
Volume total sesaat dihitung dengan persamaan :
V = VC + VR + VE (2.17)
Dengan asumsi (a), (b), dan (c), maka massa total dalam mesin, dapat dihitung dari tekanan, temperatur, volume dan tetapan gas konstan - R
m = 𝑃𝑉𝐸
𝑅𝑇𝐸 + 𝑃𝑉𝑅
𝑅𝑇𝑅 + 𝑃𝑉𝐶
𝑅𝑇𝐶 (2.18)
Rasio tempratur – t, rasio volume bersih – v, dan rasio volume langkah dapat dihitung pada persamaan dibawah ini
t = 𝑇𝐶
𝑇𝐸 (2.19)
v = 𝑉𝑆𝐶
𝑉𝑆𝐸 (2.20)
XDE = 𝑉𝐷𝐸
𝑉𝑆𝐸 (2.21)
XDC = 𝑉𝐷𝐶
𝑉𝑆𝐸 (2.22)
XR = 𝑉𝑅
𝑉𝑆𝐸 (2.23)
Suhu regenerator – TR, di rumuskan pada persamaan .... dengan asumsi (f), sebagai berikut :
TR = 𝑇𝐸+𝑇𝐶
2 (2.24)
Ketika persamaan (2.19) dan (2.23) di subsitusikan ke persamaan (2.18), maka untuk massa gas total diperoleh pada persamaan seperti dibawah ini
m = 𝑃
𝑅𝑇𝐶 (tVE + 2𝑉𝑅
1+𝑡 + VC ) (2.25)
Dengan mensubsitusikan persamaan (2.15) dan (2.16) ke persamaan (2.25) maka diperoleh persaan
m = 𝑃𝑉𝑆𝐸
2𝑅𝑇𝐶{S – B cos (x-a)} (2.26)
Dimana :
a = tan -1 𝑣 𝑠𝑖𝑛 𝑑𝑥
𝑡+𝑐𝑜𝑠 𝑑𝑥+1 (2.27)
S = t + 2tXDE + 4𝑡𝑉𝑅
1+𝑡 + v +2XDC +1 (2.28)
B = √𝑡2+ 2(𝑡 − 1)𝑣 𝑐𝑜𝑠 𝑑𝑥 + 𝑣2− 2𝑡 + 1 (2.29)
Tekanan mesin – p, di tentukan dengan menggunakan persaan (2.26) sebagai berikut.
P = 2𝑚𝑅𝑇𝐶
𝑉𝑆𝐸{𝑆−𝐵𝑐𝑜𝑠(𝜃−𝑎)} (2.30)
Tekanan rata-rata di rumuskan dengan : Pmean = 1
2𝜋∮ 𝑃𝑑𝑥 = 2𝑚𝑅𝑇𝐶
𝑉𝑆𝐸√𝑆2−𝐵2 (2.31)
c dirumuskan dengan persamaan : c = 𝐵
𝑆 (2.32)
Perhitungan tekanan mesin berdasarkan tekanan rata-rata di rumuskan dengan persamaan :
P = 𝑃𝑚𝑒𝑎𝑛√𝑆2−𝐵2
𝑆−𝐵𝑐𝑜𝑠(𝜃−𝑎) = 𝑃𝑚𝑒𝑎𝑛√1−𝑐2
1−𝑐.cos (𝑥−𝑎) (2.33)
Pada persamaan (2.30) ketika cos (x-a) = -1, tekanan mesin menjadi tekanan minimum, sehingga didapat persamaan :
Pmin = 2𝑚𝑅𝑇𝐶
𝑉𝑆𝐸(𝑆+𝐵) (2.34)
Oleh karena itu, tekanan mesin berdasarkan tekanan mesin minimum di rumuskan dengan persamaan :
P = 𝑃𝑚𝑖𝑛(𝑆+𝐵)
𝑆−𝐵𝑐𝑜𝑠(𝑥−𝑎) = 𝑃𝑚𝑖𝑛(1+𝑐)
1−𝑐.cos (𝑥−𝑎) (2.35)
Hal yang sama ketika cos (x-a) = 1, maka tekanan mesin pada tekanan maximum dirumuskan dengan persamaan :
P = 𝑃𝑚𝑖𝑛(𝑆−𝐵)
𝑆−𝐵𝑐𝑜𝑠(𝑥−𝑎) = 𝑃𝑚𝑎𝑥(1−𝑐)
1−𝑐.cos (𝑥−𝑎) (2.36)
maka didapat persamaan untuk tekanan mesin sebagai berikut : P = 𝑃𝑚𝑒𝑎𝑛√1+𝑐2
1−𝑐.cos (𝑥−𝑎) = 𝑃𝑚𝑖𝑛(1+𝑐)
1−𝑐.cos (𝑥−𝑎) = 𝑃𝑚𝑎𝑥(1−𝑐)
1−𝑐.cos (𝑥−𝑎) (2.37) Dimana :
P = Tekanan mesin Stirling (Pa)
Pmean = Tekanan rata-rata mesin Stirling (Pa) Pmin = Tekanan minimum mesin Stirling (Pa) Pmax = Tekanan maksimum mesin Stirling (Pa)
2.3.1 indikator Energi, Daya, dan Efisiensi
Indikator energi pada ruang ekspansi dan kompresi di hitung berdasarkan solusi analitis degan menggunakan koefisien diatas.
Indikator energi pada daerah ekspansi (WE) dapat dihitung berdasarkan pada tekanan rata-rata, tekanan maximum, dan tekanan minimum. Seperti pada persamaan dibawah ini.
WE = ∮ 𝑃𝑑𝑉𝐸 = 𝑃𝑚𝑒𝑎𝑛𝑉𝑆𝐸 𝜋𝑐 sin 𝑎
1+ √1− 𝑐2 = 𝑃𝑚𝑖𝑛𝑉𝑆𝐸 𝜋𝑐 sin 𝑎
1+ √1− 𝑐2
√1+ 𝑐
√1−𝑐
= 𝑃𝑚𝑖𝑛𝑉𝑆𝐸 𝜋𝑐 sin 𝑎
1+ √1− 𝑐2
√1− 𝑐
√1+ 𝑐 (2.39)
Indikator energi pada area kompresi (WC), dirumuskan dengan persamaan dibawah ini.
WC = ∮ 𝑃𝑑𝑉𝐶 = - 𝑃𝑚𝑒𝑎𝑛𝑉𝑆𝐸 𝜋𝑐𝑡 sin 𝑎
1+ √1− 𝑐2 = - 𝑃𝑚𝑖𝑛𝑉𝑆𝐸 𝜋𝑐𝑡 sin 𝑎 1+ √1− 𝑐2 . √1+ 𝑐
√1−𝑐
= 𝑃𝑚𝑎𝑥𝑉𝑆𝐸 𝜋𝑐𝑡 sin 𝑎 1+ √1− 𝑐2 . √1− 𝑐
√1+ 𝑐 (2.40)
Indikator energi per satu siklus mesin di hitung dengan menggunakan rumus dibawah ini.
Wi = WE + WC
= 𝑃𝑚𝑒𝑎𝑛𝑉𝑆𝐸 𝜋𝑐(1−𝑡) sin 𝑎
1+ √1− 𝑐2 = 𝑃𝑚𝑖𝑛𝑉𝑆𝐸 𝜋𝑐(1−𝑡) sin 𝑎 1+ √1− 𝑐2
√1+ 𝑐
√1−𝑐 = 𝑃𝑚𝑎𝑥𝑉𝑆𝐸 𝜋𝑐(1−𝑡) sin 𝑎
1+ √1− 𝑐2
√1− 𝑐
√1+ 𝑐 (2.41)
Hubungan antara Pmean, Pmin, dan Pmax dirumuskan seperti dibawah ini.
𝑃𝑚𝑖𝑛
𝑃𝑚𝑒𝑎𝑛 = √1−𝑐
1+𝑐 (2.42)
𝑃𝑚𝑖𝑛
𝑃𝑚𝑒𝑎𝑛 = √1+𝑐
1−𝑐 (2.43)
Indikator daya pada saat ekspansi, Kompresi dan indikator daya untuk total keseluruhan sistem dirumuskan dengan persamaan berikut:
LE = WEn (2.44)
LC = WCn (2.45)
LI = WIn (2.46)
Dimana :
n = putaran mesin (rpm) L = daya mesin (watt) W = energi (joule)
Perhitungan efisiensi dari mesin stirling dapat dirumuskan dengan membandingkan energi yang di keluarkan oleh mesin (WI) dengan energi yang masuk (WE).
e = 𝑊𝐼
𝑊𝐸 = 1 – t (2.47)
Dimana :
e = efisiensi (%)
3.1 Parameter Penelitian
Dalam penelitian ini terdapat dua parameter yaitu parameter hitung dan parameter ukur. Parameter hitung adalah parameter yang di gunakan sebagai landasan dasar untuk menentukan dimensi mesin stirling yang akan dirancang sedangkan parameter ukur adalah parameter yang didapat dari hasil uji alat eksperimen dilapangan yang bertujuan untuk menghitung performa penggunaan pendingin terhadap kinerja mesin stirling.
3.1.1 Parameter Hitung
Berikut adalah parameter hitung yang digunakan dalam penelitian ini.
1. Volume Displacer
Volume displacer adalah volume silinder pembakaran yang ditentukan berdasarkan perhitungan analisisi schimdt. Volume displacer ini adalah 157 cm3 dengan panjang langkah 80 mm dan volume mati atas 9.81 cm3.
2. Volume kompresi
Volume kompresi adalah volume silinder power yang ditentukan berdasarkan perhitungan analisisi schimdt dengan rasio perbandingan volume displacer dan volume kompresi yaitu 1:2. Volume silinder adalah 78,5 cm3 dengan volume mati bawah 3,92 cm3 dan panjang langkah 40 mm.
3. Poros engkol
Poros engkol adalah bagian mesin yang berfungsi untuk mengubah gerak translasi dari piston displacer dan kompresi menjadi gerak rotasi. Diameter bandul poros engkol ini adalah adalah 100 mm.
4. Piston
Piston displacer dirancangan dengan diameter 47 mm, 3 mm lebih kecil dari diameter silinder displacer. Hal ini dilakukan untuk memberi ruang pada fluida kerja di dalam slinder untuk berpindah tempat dari silinder panas ke silinder dingin melalui celah piston. Pada piston kompresi berdiameter sama
dengan silinder kompresi karena didalam silinder diperlukan kompresi terhadap gas.
5. Silinder pendingin
Silinder pendingin berfungsi untuk medinginkan silinder displacer dan meningkatkan performa mesin. Silinder ini merupakan bagian dari silinder displacer. Pada silinder ini dirancang saluran rongga air dengan ketebalan 2,5 mm dengan pajang silinder ini adalah 100 mm.
3.1.2 Parameter Ukur
Berikut adalah parameter ukur yang didapat dari hasil uji dilapangan 1. Suhu Ekspansi ( TE)
Suhu ekspansi adalah suhu udara panas didalam silinder displacer. Suhu ini diukur dengan thermocouple tipe K karena mempunyai titik panas yang tinggi. Suhu ini digunakan dalam perhitungan untuk menentukan koefisien perpindahan panas udara didalam silinder dan analisa termal mesin.
2. Suhu Kompresi (TC)
Suhu kompresi adalah suhu udara yang berada dalam silinder kompresi. Suhu ini diukur dengan thermocouple tipe J. Suhu ini digunakan dalam perhitungan untuk menentukan koefisien perpindahan panas udara didalam silinder dan analisa termal mesin.
3. Suhu masuk air (Tair)
Suhu masuk air adalah variabel tetap yang di jaga konstan didalam percobaan, Suhu masuk air diukur dengan thermocouple tipe J. Suhu masuk air diperlukan untuk mengetahui sifat – sifat fluida air yang mengalir pada silinder pendingin, koefisien perpindahan panas air dan yang berkaitan dengan analisa termal.
4. Kecepatan putaran (𝜔)
Parameter kecepatan putaran diperlukan untuk mengetahui kinerja mesin dan untuk mencari efisiensi thermal pada pendingin. Kecepatan putar diukur dengan alat Tachometer laser.
5. Debit air (Q)
Debit air merupakan variabel tetap yang sudah ditentukan dengan suhu masuk yang dijaga kostan. Debit air ini diukur menggunakan flow meter. Debit air ini diperlukan untuk menghitung efisiensi pendinginan pada kinerja mesin stirling.
3.2 Metode Pelaksanaan Rancang Bangun
Metode pelaksanaan rancang bangun dijelaskan dalam bentuk diagram alir seperti dibawah ini.
Gambar 3.1 diagram alir proses perancangan mesin stirling
3.3 Waktu dan Tempat Penelitian
Waktu yang digunakan selama penelitian ini adalah 74 hari, yaitu dimulai pada 15 Februari 2019 sampai 30 April 2019. Proses pengambilan data dilakukan di Laboratorium Foundri Departemen Teknik Mesin Uniersitas Sumatera Utara.
3.4 Alat dan Bahan
Berikut alat dan bahan ynag digunakan dalam pengambilan data.
3.4.1 Alat
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Data Akuisisi Temperatur
Data akuisisi temperatur merupakan alat yang digunakan untuk mencatat temperatur yang dibaca oleh thermocouple. Adapaun spesifikasi dari data akuisisi temperatur adalah sebagai berikut:
Model : Cole-parmer 18200-40 Input temperatur : 7 Channel
Frekuensi maksimum : 2 Hz (1 Sampel per detik) Konektivitas : USB
Input Range : 0,080 V (thermocouple : J,K,T,E,R,S,N atau B)
Tipe : 18200-40
Gambar 3.2 Data Akuisisi Temperatur
2. Termokopel
Termokopel digunakan untuk membaca temperatur pada beberapa bagian mesin stirling.
Berikut sepesifikasi Termokopel yang digunakan:
a. Termokopel tipe J
Jangkauan Pengukuran : -40o sampai 750oC
Toleransi : ± 0,75%
Gambar 3.3 Thermokopel Tipe J b. Termokopel tipe k
Jangkauan Pengukuran : -40o sampai 1350oC
Toleransi : ± 0,75%
Gambar 3.4 Thermokopel Tipe K
3. Timbangan
Alat ini digunakan untuk mengukur berat pembebanan pada mesin stirling Berikut spesifikasinya :
jenis : Digital
Jangkauan ukur : 0-50 kg
Gambar 3.5 Timbangan digital 4. Tachometer
Tachometer adalah alat yang berfungsi untuk mengukur kecepatan putar Berikut adalah spesikasinya :
Tipe : PLT200
Merk : Monarch Jenis : Infrared
Gambar 3.6 Tachometer 5. flow meter
Flow meter adalah alat yang berfungsi untuk mengukur laju aliran massa fluida.
Berikut spesifikasi alat :
Jenis fulida : Cair
Satua ukur : LPM dan GPM
Jangkauan ukur : (0,18-1,8 LPM) / (0,5-5 GPM)
Gambar 3.7 Flow meter 3.4.2 Bahan
Berikut bahan-bahan yang digunakan dalam proses penelitian.
1. Pipa Stainless steel berdiameter 60 mm 2. Pipa Aluminium berdiameter 100 mm 3. Besi plat tebal 12 mm
4. Bearing 5. Air
6. Selang 8 mm
3.5 Komponen mesin stirling 3.5.1 silinder displacer
Silnder displacer terdiri dari dua bagian yang tersambung yaitu bagian silinder yang dibakar dan bagian yang di dinginkan.
1. silinder panas
Silinder panas berfungsi sebagai tempat masuknya panas pada mesin, pada silinder ini tejadi pembakaran secara eksternal pada ujung silinder.
Berikut gambar dan dimensi dari silinder displacer panas.
Gambar 3.8 Displacer panas Keterangan gambar :
Panjang : 180 mm
Dimaeter dalam : 50 mm Tebal dinding : 3 mm Dimater kuping : 120 mm Bahan : Stainless steel
2. silinder dingin
Displacer dingin ini berfungsi sebagai pendingin terhadap udara panas displacer yang akan di alirkan ke power piston. Semakin tinggi perbedaan temperatur yang diturunkan silinder ini maka semakin tinggi efisiensi dari mesin.
Berikut gambar dan desain dari displacer dingin.
Gambar 3.9 Displacer dingin Keterangan gambar
Lapisan dalam
Panjang : 100 mm Diameter dalam : 50 mm Diameter luar : 56 mm
Bahan : Stainless steel Lapisan luar
Panjang : 100 mm Diameter dalam : 61 mm Dimaeter luar : 67 mm
Bahan : Aluminium
Lapisan luar
Lapisan dalam
3.5.2 Silinder Power
Power silinder berfungsi sebagai tempat power piston. Pada power silinder ini terjadi proses kompresi gas pada mesin stirling.
Gambar 3.10 Silinder power Keterangan gambar
Tinggi : 85 mm
Diameter dalam : 50 mm
Diameter luar : 56 mm
Bahan : besi curah
Diameter lubang tengah : 10 mm
3.5.3 Poros Engkol
Poros engkol berfungsi sebagai pusat gerak dari piston yang mengubah gerak translasi jadi gerak rotasi. Berikut gambar dan dimensi perancangan.
Gambar 3.11 Poros engkol Keterangan gambar
Lebar total : 180 mm
Diameter poros : 25 mm
Diameter balance : 100 mm Panjang lngkah power : 40 mm Panjang lanngkah dispalcer : 80 mm
Tebal balance : 10 mm
Diameter cank pin : 15 mm
Massa : 810 gram
3.5.4 Piston
Piston pada mesin stirling ini terdiri dari dua piston yaitu untuk power piston dan untuk displacer piston.
1. Piston displacer
Berikut gambar dan desain dari dispalcer piston.
Gambar 3.12 Piston displacer
Keterngan gambar
Panjang : 177 mm
Diameter dalam : 46 mm Diameter luar : 50 mm
Massa : 390 gram
Bahan : Besi
2. Piston power
Power piston sebagai piston daya dari mesin stirling. Piston ini bergerak akibat dari perbedaan tekanan dari piston displacer. Berikut gambar dan desain dari power piston.
Gambar 3.13 Piston power Keterangan gambar
Diameter : 50 mm
Bahan : Aluminium alloy Massa : 150 gram
3.5.5 Flywheel
Pada mesin stirling flywheel berfungsi sebagai penyimpan energi kinetik mesin stirling dan untuk mempertahankan mesin dapat terus berputar.
Gambar 3.14 Flywheel
Keterangan gambar Diameter : 240 mm Massa : 1760 gram Bahan : Besi
3.5.6 Dudukan Mesin
Dudukan ini digunakan sebagai tempat mesin untuk dirakit. Berikut adalah gambar dan rancangannya.
Gambar 3.15 Dudukan mesin Keterangan gambar
Panjang : 450 mm Lebar : 260 mm Tebal : 10 mm Bahan : Besi
3.5.7 Penutup Silinder Displacer
Penutup silinder displacer berfungsi sebagai penutup silinder sekaligus sebagai penyangga silinder.
Gambar 3.16 Penutup silinder displacer Keterangan gambar
Panjang : 34 mm
Diameter : 50 mm Diameter lubang
Poros : 10 mm Udara : 5 mm
Bahan : Aluminium
3.5.8 Connecting Rod Displacer
Part ini berfungsi untuk menghubungkan piston displacer dengan poros engkol
Gambar 3.17 Connecting rod displacer Keterangan gambar
Panjang : 100 mm
Tebal : 4 mm
Diameter lubang
Kecil : 8 mm Besar : 15 mm
Bahan : Besi
3.5.9 Connecting Rod Power
Part ini berfungsi untuk menghubungkan piston power dengan poros engkol.
Gambar 3.16 Connecting rod power
Keterangan gambar
Panjang : 105 mm
Tebal : 4 mm
Diameter lubang
Kecil : 8 mm Besar : 15 mm
Bahan : Besi
3.5.10 Batang
Batang ini berfungsi untuk menghubungkan piston displacer dengan connecting rod pada mesin stirling.
Gambar 3.17 Batang Keterangan gambar
Panjang : 130 mm Diameter : 10 mm
3.6 Pengambilan Data
Berikut langkah-langkah pengambilan data pengujian.
1. Asembli, komponen atau bagian mesin yang sudah siap di produksi maka selanjutnya adalah proses asembli. Pada proses ini mesin akan di rakit sehingga akan terbentuk seperti gambar 4.1
2. pemasangan sensor dan alat ukur, Pada mesin stirling ini ada 6 sensor suhu yang terpasang, yaitu : Sensor udara dalam displacer, sensor udara dalam power piston, sensor fluida pendingin masuk, sensor fluida pendingin keluar, sensor panas api, dan sensor ruangan.
3. setelah proses pemasangan sensor suhu dan alat ukur sudah selesai dilaksanakan maka selajutnya adalah proses pembakaran dispalcer silinder.
4. proses penyalaan api untuk pembakaran silinder bersamaan dengan penyalaan semua alat ukur, seperti : termokopel, pompa fluida, kamera untuk memonitor putaran mesin.
5. Beberapa saat setelah pembakaran displacer piston maka diberikan dorongan awal pada flywheel untuk menjalanka mesin.
6. ketika mesin sudah mencapai putaran maksimum maka dilakukan pengujian torsi dengan beban bervariasi untuk menghitung daya mesin.
7. beban dan putaran yang dihasilkan mesin akan dicatat sebagai input untuk perhitungan
4.1 Asembling Mesin Striling
Gambar 4.1 Asembling mesin stirling
4.2 Data Hasil Penelitian
Data penelitian pada mesin stirling terbagi mesnjadi tiga yaitu data parameter mesin, data hasil pengujian degan menggunakan pendingin, dan data tanpa menggunakan pendingin sebagai berikut.
Poros engkol
Dudukan mesin
Flywheel
Silinder dingin displacer
Silinder Displacer
Penyangga displacer Conneting
road power piston
Kaki dudukan
mesin Selang sambungan
udara panas
a. data geometri mesin stirling
Tabel 4.1 Parameter mesin stirling
No Nama Simbol Satuan
1 Volume displacer VSE 157 cm3
2 Volume mati displacer VDE 9.81 cm3
3 Diameter silinder DE 50 mm
4 Panjang langkah LE 80 mm
5 Pajang langkah volume mati
dispalcer LDE 15 mm
6 Volume power piston VSC 78.5 cm3
7 Volume mati power piston VDC 3.92 m3
8 Diameter silinder DC 50 mm
9 Panjang langkah LC 40 mm
10 Pajang langkah volume mati
power piston LDC 2 mm
11 Sudut phasa dx 900
12 Tetapan gas konstan R 286,9 j/kg.k
13 Tekanan rata-rata Pmean 101,3 kpa
14 Dimaeter Flywheel r 25 mm
b. data hasil pengujian menggunakan pendingin
Tabel 4.2 Data pengujian menggunakan pendingin
Keterangan
Interval Waktu (menit)
Putaran (rpm)
Suhu Ekspansi
(0C)
Suhu kompresi
(0C)
Suhu air masuk
(0C)
Mesin dijalankan 3.43 185 386,75 34,31 26
Performa mesin
rata-rata 12.00-29.20 540 694,05 48,29 26
Performa mesin
maksimum 22.00 578 718,73 50,49 26
c. pengujian tanpa menggunakan pendingin
Tabel 4.3 data pengujian tanpa menggunakan pendingin
Keterangan
Interval Waktu (menit)
Putara n (rpm)
Suhu Ekspansi
(0C)
Suhu kompresi
(0C)
Suhu ruangan
(0C) Mesin dijalankan 12.20 326 269,9733 34,5295 32 Performa mesin rata-
rata 21.00-40.00 444 561,87 50,65 32
Performa mesin
maksimum 18.00 569 638,5959 40,6427 32
4.3 Perhitunga Berdasarkan Analisis Schmidt 4.3.1 perhitungan volume kerja mesin stirling
a. Perhitungan volume untuk x = 00
• volume ekspansi VE = 𝑉𝑆𝐸
2(1-cos x) +Vde
= 157 𝑐𝑚
3
2 (1-cos 00) + 29,4 cm3 = 9,81 cm3
• volume kompresi VC = 𝑉𝑆𝐸
2 (1- cos x) + 𝑉𝑆𝐶
2 {1- cos(x-dx)}+ VDC
= 157 𝑐𝑚
3
2 (1- cos 00) + 78,5 𝑐𝑚
3
2 {1- cos(00 - 900)}+ 3.9 cm3
= 43,17 cm3
• Volume total sesaat V = VE + Vc
= 9,81cm3 + 43,17 cm3 = 52,98 cm3 b. Perhitungan untuk x = 300
• volume ekspansi VE = 151 𝑐𝑚
3
2 (1-cos 300) + 29,4 cm3 = 20,32 cm3
• volume kompresi
VC= 151 𝑐𝑚
3
2 (1- cos 300) + 78,5 𝑐𝑚
3
2 {1- cos(300 - 900)}+ 3.9 cm3
= 34,06 cm3
• Volume total sesaat V = VE + VC
= 20,32 cm3 + 34,06 cm3 = 54,38 cm3 c. Perhitungan untuk x = 600
• volume ekspansi VE = 157 𝑐𝑚
3
2 (1-cos 600) + 9,82 cm3 = 49,06 cm3
• volume kompresi VC = 157 𝑐𝑚
3
2 (1- cos 600) + 78,5 𝑐𝑚
3
2 {1- cos(600 - 900)}+ 3.9 cm3
= 48,42 cm3
• Volume total sesaat V = VE + VC
= 49,06 cm3 + 48,42 cm3 = 97,48 cm3 d. Perhitungan untuk x = 900
• volume ekspansi VE = 157 𝑚
3
2 (1-cos 900) + 9,81 cm3 = 88,31 cm3
• volume kompresi VC = 157 𝑐𝑚
3
2 (1-cos 900) + 78,5 𝑐𝑚
3
2 {1- cos(900 - 900)}+ 3.9 cm3
= 82,42 cm3
• Volume total sesaat V = VE + VC
= 88,31 m3 + 82,42 cm3 = 170,73 cm3 e. Perhitungan untuk x = 1200
• volume ekspansi VE = 157 𝑐𝑚
3
2 (1-cos 1200) + 9,81 cm3 = 127,56 cm3
• volume kompresi
