EFISIENSI KINERJA SIKLUS STIRLING ENGINERiska Ayu[1], Reva Girindra A.[2], Angela Indirarosy[3], Naufal Fajar R.[4], Sahal Abidy [5], Dony Damara[6]Jurusan Teknik FisikaInstitut Teknologi Sepuluh NopemberSurabaya, Indonesiarskaayu@gmail.com

ABSTRAKMesin Stirling adalah sebuah mesin panas yang beroperasi secara kompresi siklik (berulang - ulang) dan melalui pemuaian udara atau gas (gaya fluida) , pada tingkat suhu yang berbeda sehingga ada konversi energi panas menjadi energy mekanik. Mesin stirlung sendiri diklasifikasikan sebagai mesin dengan pembakaran eksternal karena tabung pembakaran berada diluar sistem. Dalam usaha meningkatkan konversi yang bisa didapat dari perubahan energi panas ke kerja, mesin stirling memiliki potensi untuk mencapai efisiensi tertinggi dari semua mesin kalor, secara teori sampai efisiensi maksimal mesin Carnot, meskipun dalam prakteknya usaha ini terus dibatasi oleh berbagai sifat-sifat non-ideal dari baik itu fluida kerjanya maupun bahan dari mesin itu sendiri, seperti gesekan, konduktivitas termal, kekuatan tensile, creep, titik lebur, dll. Dalam jurnal ini dibahas mengenai effisiensi stirling engine dengan menggunakan dua buah bahan bakar yang berbeda, yaitu spirtus (methanol) dan juga bensin (gasoline). Berdasarkan percobaan yang dilakukan diperoleh efisiensi stirling engine dengan bahan bakar spirtus memiliki efisiensi sebesar 15,72% dan pada bahan bakar bensin sebesar 3,97%.

Kata kunci : Pembakaran, Efisiensi, Stirling

I. PENDAHULUAN

1.1 Latar BelakangDalam usaha meningkatkan konversi yang bisa didapat dari perubahan energi panas ke kerja, mesin stirling memiliki potensi untuk mencapai efisiensi tertinggi dari semua mesin kalor, secara teori sampai efisiensi maksimal mesin Carnot, meskipun dalam prakteknya usaha ini terus dibatasi oleh berbagai sifat-sifat non-ideal dari baik itu fluida kerjanya maupun bahan dari mesin itu sendiri, seperti gesekan, konduktivitas termal, kekuatan tensile, creep, titik lebur, dll. Mesin ini dapat dioperasikan melalui berbagai sumber panas yang dapat mencukupi, seperti tenaga matahari, kimia maupun nuklir.Dibandingkan dengan mesin pembakaran internal, mesin Stirling memiliki potensi untuk lebih efisien, lebih tenang, dan lebih mudah perawatannya. Belakangan ini, keuntungan mesin 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 mesin Stirling ini berakibat dengan terus bertambahnya penelitian mengenai peralatan Stirling tersebut. Aplikasinya termasuk pemompaan air, astronautik, dan sebagai pembangkit listrik untuk sumber-sumber panas yang tidak sesuai dengan mesin pembakaran dalam seperti energi matahari. Karakteristik mesin Stirling yang berguna lainnya adalah jika yang disuplai energi mekanik maka ia dapat beroperasi sebagai heat pump..1.2 Tujuan Adapun tujuan dari dilaksanakannya praktikum ini adalah : a. Mengetahui contoh aplikasi konversi energi dan mampu menghitung sistem converterb. Mengetahui perhitungan daya dan efisiensi dari stirling engine

II. TINJAUAN PUSTAKA2.1 Prinsip Kerja Stirling EngineMesin Stirling adalah sebuah mesin panas yang beroperasi secara kompresi siklik (berulang - ulang) dan melalui pemuaian udara atau gas (gaya fluida) , pada tingkat suhu yang berbeda sehingga ada konversi energi panas menjadi energy mekanik (termodinamika) .Seperti mesin uap, mesin Stirling secara tradisional diklasifikasikan sebagai mesin pembakaran eksternal , seperti transfer panas dari tabung pembakaran (tabung yang dibakar dari luar). Ini berbeda dengan mesin pembakaran internal , dimana masukan panas didapatkan dari pembakaran bahan bakar didalam tabung pembakaran. Tidak seperti mesin uap (atau biasa disebut sebuah siklus Rankine engine) penggunaan zat cair dan gas,digunakan untuk menghasilkkan gaya mekanik, mesin Stirling didesain sedemikian rupa agar jumlah gas tetap secara permanen.

Gambar 2.1 Diagram PV untuk Stirling Cycle

Prinsip kerja stirling engine berdasarkan hukum termodinamika seperti pada gambar di atas, dimana terdapat 4 tahapan didalamnya. Sehingga untuk menghitung energi pada siklus stirling yaitu:

(2.1)

(2.2)

dimana,E = Energy (J)P = Pressure (pa)V = Volume (m3)n = molar quantity of gas (mol)R = universal gas constant (JK-1mol-1)T =Temperature (K)

Ketika mesin telah melakukan kerja dalam periode waktu tertentu, maka dapat ditentukan besar dayanya untuk mengetahui besar energinya pada saat itu juga. Karena telah disebutkan bahwa mesin stirling ini menganut prinsip dan hukum termodinamika, maka daya untuk mesin ini bergantung kepada jumlah tekanan, volume, serta temperature pada tabung piston, sehingga besarnya daya bisa dihitung dengan persamaan berikut

(2.3)dengan,p adalah power / daya (W)W(E)cyc adalah energy of cycle, Sementara telah disebutkan besarnya pressure pada persamaan (2.1), sehingga:

(2.4)

Besarnya effisiensi dari sebuah mesin dapat dinyatakan sebagai berikut:

(2.5) Dimana persamaan di atas mengabaikan besarnya energi yang hilang selama proses. Sedangkan pada kenyataannya, hilangnya energi selama proses berlangsung tidak dapat dipungkiri. Sehingga besarnya efisiensi dari mesin stirling bisa dihitung menggunakan rumus Carnot di bawah ini:

(2.6)dengan T1 = T hot dan T2 = T cool. Sementara efisiensi secara umum adalah hasil pembagian daya masukan oleh daya keluaran. Maka besarnya efisiensi yang lebih akurat bisa dihitung dengan persamaan berikut:

(2.7)

dimana pout = phot dan pin = pcool.

2.2 Jenis-jenis Stirling EngineStirling engine sendiri memiliki beberapa tipe, diantaranya :a. Alpha-typeMesin Stirling alfa berisi kekuatan dua piston dalam silinder yang terpisah, satu berada didingin dan satunya berada dipanas. Silinder panas terletak di dalam suhu tinggi penghantar panas (silinder yang dibakar) dan silinder dingin terletak di dalam displacer suhu rendah. Jenis mesin ini memiliki rasio power-to-volume tinggi, 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.Cara Kerja mesin stirling alfa : Sebagian besar gas berkerja dalam silinder panas, yang telah dipanaskan melalui diding silinder panas dan mendorong piston panas ke bagian bawah (menarik udara). Dengan menarik udara dari bagian piston dingin. Pada titik 90 adalah titik balik dimana piston panas akan menjadi sebuah siklus mesin striling. Gas sekarang pada volume maksimal. Piston didalam silinder panas mulai bergerak, dan sebagian besar gas panas masuk ke dalam silinder dingin, di mana mendingin dan terjadi penurunan tekanan. Hampir semua gas sekarang berada di silinder dingin dan pendinginan berlanjut. Piston dingin, didukung oleh momentum roda gila ( pasangan piston lain pada poros yang sama) kompresi bagian gas yang tersisa.

Berikut adalah gambar dari stirling engine tipe alpha

Gambar 2.2 Stirling Engine Apha-type

b. Beta-typeMesin stirling tipe beta ini merupakan bentuk mesin stirling yang paling popular. Mesin stirling ini hanya memiliki satu buah piston power yang berada pada sebuah silinder sebagai displacer-piston. Dimana displacer piston ini tidak menghasilkan power dari proses expanding gad didalamnya, hanya menjalankan pergantian fluida kerja dari hot-heat exchanger ke cold-heat exchanger. Desain dari mesin stirling ini lebih kompleks dibanding mesin stirling lainnya. Perawatan serta perbaikannya juga lebih susah, namun tidak memerlukan komponen yang banyak dalam pembuatannya serta efisiensi yang paling tinggi. Sehingga mesin ini cocok untuk aplikasi kecil skala laboratorium.

Gambar 2.3 Stirling Engine Beta-type

c. Gamma-typeSejatinya mesin stirling tipe Gamma ini hampir sama dengan mesin stirling tipe beta, namun piston powernya terpasang secara terpisah dari piston displacer. Desain yang seperti akan membuat rasio kompresinya lebih rendah, sehingga seringkali digunakan dalam mesin stirling dengan multi-cylinder.

Gambar 2.3 Stirling Engine Gamma-type

III. METODOLOGI PERCOBAAN3.1 Alat dan Bahan Peralatan yang digunakan dalam praktikum ini antara lain adalah a. Stirling engine, b. Tachometer,c. Termometer. d. Sementara bahan yang digunakan adalah e. Spirtusf. Bensin

Prosedur Praktikum a. Langkah-langkah pengerjaan praktikum adalah sebagai berikut. b. Menyiapkan seluruh peralatan dan bahan. c. Memasukkan bahan bakar ke tungku pembakaran, lalu meletakkannya tepat di atas bagian hot end pada stirling engine d. Menyalakan api pada tungku pembakaran e. Meletakkan tachometer di samping flywheel untuk mengukur rotasi per menitnya. (banyaknya pengukuran berdasarkan petunjuk asisten) dan mencatatnya pada tabel 2.1 f. Mencatat suhu yang tertera di termometer saat sebelum dan sesudah pembakaran (banyaknya pengukuran berdasarkan petunjuk asisten) pada tabel 2.1 g. Melakukan perhitungan efisiensi dan daya dari stirling engine

IV. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

4.1 Analisa DataData penimbangan bahan bakar sebelum dan sesudah pembakaran ditunjukan pada tabel dibawah ini :

Tabel 4.1. Data Massa Bahan Bakar Sebelum dan Setelah PembakaranNo.Bahan BakarMassa sebelum (gr)Massa sesudah (gr)

1Spirtus276267

2Bensin255231

Kemudian rasio compressi ditimbang dengan cara pengambilan dimensi (tinggi) dari tabung. Berikut ini adalah data perhitungan dari dimensi tabung:

Tabel 4.2 Data Perhitungan Rasio Kompresi Bahan BakarSeluruhnyaEkspansi KompresiRasiokompresi

Tinggi tabung8,526,413,192,009

Masing masing bahan bakar yang digunakan untuk pembakaran mesin stirling diukur suhu dan kecepatan putaran setiap tiga menit selama lima kali yang data yang disajikan sudah dikonversi dalam rpm (rotasi per menit) ditunjukan dalam tabel berikut :

Tabel 4.3. Data Pengukuran Suhu dan Rotasi Setiap Tiga Menit pada Bahan Bakar SpirtusNo.Menit Ke -Tachometer (rpm)Suhu Kompresi(K)Suhu Ekspansi (K)

13362302,45353,15

2.6206304,40382,40

39430307,82398,40

412422308,85407,65

515470310,75418,15

Tabel 4.3 Data Pengukuran Suhu dan Rotasi Setiap Tiga Menit pada Bahan Bakar BensinNo.Menit Ke -Tachometer (rpm)Suhu Kompresi (K)Suhu Ekspansi (K)

13377309,77377,90

2.6448309,28416,65

39476310,32449,65

412483310,21470,65

515513313,68494,65

Setelah didapat data diatas perhitungan daya dapat dilakukan dengan persamaan berikut : W= nR(Thot - Tcool) . (ln Vhot ln Vcool)W= nR(Thot - Tcool) . ln (Vhot / Vcool)W = nR (Thot - Tcool) . ln (rasio kompresi)(4.1)Sehingga, dilakukan perhitungan untuk memperoleh nilai daya keluaran dari mesin stirling berdasarkan persamaan (2.3). sedangkan untuk daya masukan dari mesin ini dilakukan perhitungan berdasarkan nilai HHV pada bahan bakar. Berikut adalah persamaan nilai daya masukkan:

(4.2)dengan adalah selih massa bahan bakar (kg)HHV adalah high heating value (J/kg)t adalah waktu pembakaran

Berdasarkan persamaan diatas dilakukan perhitungan dimana dengan data HHV spirtus sebesar 20094 KJ/kg dan HHV Bensin adalah 42358 KJ/kg. dengan persamaan (4.1) dan (4.2) diatas diperoleh hasil sebagai berikut:

Tabel 4.4 Perhitungan Daya dan Energi pada Spirtus No.Menit Ke -WPoutPin

134.6016171665.7812056.4

264.9897061027.8812056.4

395.1685392222.4712056.4

4125.2853922230.4312056.4

5155.4076472541.5912056.4

Tabel 4.5 Perhitungan Daya dan Energi pada BensinNo.Menit Ke -WPoutPin

134.8493971828.2267772.8

2.65.407222422.4367772.8

395.8615542790.1067772.8

4126.1616472976.0767772.8

5156.4534953310.6467772.8

Dalam perhitungan effisiensi dilakukan penjumlahan daya keluar dengan menggunakan grafik. Luasan yang diperoleh pada grafik tersebut akan menjelaskan total energi yang digunakan. Dengan membagi nilai total energi dengan lama waktu perhitungan akan diperoleh total daya yang menjadi keluaran stirling engine. Berikut adalah grafik yang menjadi dasar perhitungan effisiensi mesin.

Gambar 4.1 Grafik Daya Keluaran Spirtus

Gambar 4.2 Grafik Daya Keluaran Bensin

Maka nilai effisiensi dapat dihitung dengan persamaan (2.7). Berikut ini adalah hasil perhitungan enegi total, daya keluaran total, dan effisiensi.

Tabel 4.6 Perhitungan effisiensiTotal WoutTotal Pout

Spirtus22753.431896.11915.72707514

Bensin32274.132689.5113.968421872

4.2 PembahasanBerdasarkan percobaan yang dilakukan, diperoleh hasil efisiensi spirtus lebih besar dibanding dengan bensin. Hal ini dikarenakan bensin merupakan jenis bahan bakar yang boros. Dimana terlihat dalam waktu pembakaran yang sama, massa yang berkurang antara bahan bakar spirtus dan bensin memiliki perbedaan hingga hampir 3 kali lipat lebih banyak bensin. Mesipun dengan HHV yang lebih besar, namun efisiensi yang dihasilkan memiliki perbedaan yang signifikan. Dalam perhitungan total daya pada stirling engine, penggunaan grafik dilakukan untuk memperoleh hasil yang akurat dan optimal. Namun, dalam perhitungan ini dihasilkan nilai efisiensi yang sangat kecil akibat data pada menit ke-0 tidak didapatkan. Sehingga, perhitungan total daya hanya dilakukan dari menit ke-3 hingga ke-15. Hal ini mempengaruhi banyaknya luasan yang mengenai Nilai efisiensi yang berbeda dari hipotesa ini dirasa juga akibat adanya human error pada saat pengukuran dilakukan. Pada bahan bakar spirtus terdapat nilai kecepatan rotasi pada mesin yang menurun. Sehingga ini menunjukkan bahwa adanya kesalahan dalam pengukuran. Stirling engine merupakan mesin yang beroperasi pada heating dan cooling isobaric. Dimana secara teoritis siklus ini akan memperoleh nilai efisiensi yang mendekati nilai maksimum akibat adanya perbedaan temperatur. Efisiensi yang diperoleh pada percobaan ini sangat kecil yaitu 15,72% untuk spirtus dan 3,97% untuk bensin.

V. PENUTUP5.1KesimpulanKesimpulan dari percobaan yang telah dilakukan adalah:a. Stirling engine merupakan salah satu mesin konversi energi dari panas menjadi mekanik. Mesin ini tergolong kedalam mesin pembakaran eksternal sehingga transfer panasnya terjadi dari tabung pembakaran yang dibakar diluar.b. Dalam melakukan perhitungan daya keluaran pada stirling engine nilai yang berpengaruh yaitu energi dan kecepatan putar dari flywheel pada mesin. Untuk menghitung energi dibutuhkan besar perbedaan suhu dalam siklus dan rasio kompresi. Sedangkan untuk daya masukkan memperhatikan perubahan massa bahan bakar serta HHV pada bahan bakar.

DAFTAR PUSTAKA

Asisten RSKKE. Modul Praktikum Rekayasa Sistem Konversi dan Konservasi Energi. 2015. Surabaya: Teknik Fisika-ITS