Mesin Stirling
Riasty Purwandari
ABSTRAK
Mesin Stirling adalah mesin pembakaran eksternal yang menggunakan udara atau gas sebagai fluida kerjanya dan bekerja berdasarkan prinsip peredaran termodinamika. Ada tiga jenis utama dari mesin stirling yaitu alpha stirling, beta stirling, dan gamma stirling. Mesin stirling biasa digunakan sebagai mesin pompa, mesin pembangkit listrik, dan mesin bertenaga surya.
Pendahuluan
Pada zaman sekarang isu kelangkaan bahan bakar memaksa para ilmuwan memikirkan cara pembuatan mesin yang hemat bahan bakar. Sistem engine yang banyak digunakan sejumlah pabrik dalam menjalankan mesin sekarang ini dinilai banyak pihak kurang efisien dan boros bahan bakar. Selain itu juga menyebabkan polusi udara yang memicu pemanasan global.
Dalam usaha meningkatkan konversi yang bisa didapat dari perubahan energi panas menjadi 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 masih dibatasi oleh berbagai sifat-sifat non-ideal baik itu dari fluida kerjanya maupun bahan dari mesin itu sendiri, seperti gesekan, konduktivitas termal dan titik lebur.
Mesin stirling dapat dioperasikan melalui berbagai sumber panas, seperti tenaga matahari, kimia maupun nuklir. Dibandingkan dengan mesin pembakaran internal, mesin Stirling memiliki potensi untuk lebih efisien, lebih tenang, dan lebih mudah perawatannya.
Dalam artikel ini akan mengkaji lebih jauh tentang apa itu mesin stirling dan bagaimana prinsip kerjanya, mengingat mesin Stirling ini sangat berpotensi untuk dikembangkan.
Pembahasan
Mesin Stirling adalah mesin pembakaran eksternal yang menggunakan udara atau gas seperti helium, hydrogen, nitrogen, methanol dan sebagai fluida kerjanya. Mesin ini bekerja berdasarkan prinsip peredaran termodinamika (motor udara panas), ditemukan pada tahun 1816 oleh Robert Stirling di Kilmamock-Skotlandia.
Dalam keluarga mesin kalor, mesin Stirling didefinisikan sebagai mesin regenerasi udara panas siklus tertutup. Dalam konteks ini, siklus tertutup berarti bahwa fluida kerjanya secara permanen terkurung di dalam sistem, di mana mesin siklus terbuka seperti mesin pembakaran internal dan beberapa mesin uap, menukarkan fluida kerjanya dengan lingkungan sekitar sebagai bagiaan dari siklus kerja. Regenerasi berarti bahwa adanya penggunaan alat penukar panas internal, yang dapat meningkatkan efisiensi mesin.
Prinsip Kerja Mesin Stirling
Prinsip kerja mesin Stirling adalah mesin kalor yang unik karena efisiensi teoretisnya mendekati efisiensi teoretis maksimum, yang lebih dikenal dengan efisiensi mesin Carnot. Mesin Stirling digerakkan ekspansi gas ketika dipanaskan dan diikuti kompresi gas ketika didinginkan. Mesin itu berisi sejumlah gas yang dipindahkan antara sisi dingin dan panas terus-menerus.
Mesin Stirling memiliki dua piston, yaitu piston untuk ekspansi dan piston untuk kompresi. Piston displacer memindahkan gas antara dua sisi dan piston power mengubah volume internal karena ekspansi dan kontraksi gas. Piston saling terhubung satu sama lain oleh hubungan mekanis yang menentukan bagaimana mereka akan bergerak dalam hubungannya dengan satu sama lain.
Robert Stirling menyebut piston yang berpindah sebagai regenerator. Renegerator itu dapat membangkitkan kembali udara. Jika piston bergerak ke atas, regenerator dialirkan melalui udara hangat dan mengambil sebagian energi dari udara dan menyimpannya. Jika piston bergerak ke bawah, dialirkan melalui udara dingin dan mengeluarkan energi yang disimpan. Dengan regenerator, mesin stirling mencapai efisiensi sangat baik.
Regenerator adalah sebuah penukar panas internal dan menyimpan panas sementara yang ditempatkan di antara ruang-ruang panas dan dingin sehingga fluida kerja melewati itu pertama dalam satu arah kemudian yang lain. Fungsinya adalah untuk mempertahankan dalam sistem yang panas yang seharusnya dapat dipertukarkan dengan lingkungan pada suhu menengah untuk suhu siklus maksimum dan minimum, sehingga memungkinkan efisiensi termal siklus untuk mendekati efisiensi Carnot.
Sebuah regenerator memungkinkan panas yang dihasilkan disimpan di dalam, sebagian menggantikan energi panas karena sedikitnya alih panas yang dimungkinkan melalui dinding heat-exchanger. Energi panas disimpan di dalam regenerator sementara gas penggerak menyusup ke ruangan yang dingin, dan kemudian dilepaskan sewaktu kembali ke ruangan ekspansi panas. Tenaga terjadi pada temperatur yang tinggi dan konstan, sangat ideal untuk setiap mesin. Kompresi terjadi pada temperatur rendah, dan hampir tidak ada energi panas yang hilang. Tenaga bersih yang dihasilkan adalah akibat perbedaan antara pengembangan gas bertemperatur tinggi dan mengkompresi gas bertemperatur rendah.
Siklus Stirling
Siklus Stirling melibatkan serangkaian peristiwa yang mengubah tekanan gas di dalam mesin sehingga mesin dapat melakukan pekerjaan. Beberapa sifat gas yang sangat penting untuk pengoperasian mesin Stirling:
Memiliki jumlah gas yang tetap dalam volume tetap diruang tersebut dan meningkatkan temperatur gas itu sehingga tekanan akan meningkat.
Memiliki jumlah gas yang tetap dan mengkompres (mengurangi volume ruang nya) sehingga suhu gas akan meningkatkan.
Siklus Stirling dirancang dengan baik sehingga gas yang bekerja umumnya dikompresi dalam bagian yang lebih dingin dari mesin dan diperluas di bagian panas yang dihasilkan dalam konversi yang panas menjadi kerja. Sebuah penukar panas internal regeneratif meningkatkan efisiensi termal mesin Stirling sederhana dibandingkan dengan mesin udara panas.
Diagram p-v dan T-s siklus Stirling
Siklus tersebut terdiri dari empat proses reversibel internal yang berurutan:
Kompresi isotermal dari 1 2 pada temperatur Tc, panas Q1 keluar dari sistem dan kerja dilakukan terhadap sistem.
Pemanasan pada volume konstan dari 2 3 suhu naik dari Tc ke TH dan tekanan juga naik dari p1 ke p2, tidak ada kerja yang dilakukan.
Ekspansi isotermal dari 3 4 pada temperatur TH panas Q2 masuk ke dalam sistem, sementara kerja dilakukan oleh sistem.
Pendinginan pada volume konstan dari 4 1, suhu turun dari T2 ke T1 dan tekanan juga turun dari p4 ke p1, tidak ada kerja yang dilakukan.
Regenerator yang memiliki nilai keefektifan 100% mengizinkan kalor yang terbuang selama proses 4-1 untuk digunakan sebagai masukan kalor di dalam proses 2-3. Oleh sebab itu, proses penambahan kalor secara eksternal ke dalam fluida kerja terjadi di dalam proses isotermal 3-4 dan semua kalor yang terbuang ke lingkungan terjadi di dalam proses 1-2. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa nilai efisiensi termal pada siklus Stirling diberikan melalui persamaan yang sama seperti yang digunakan pada siklus Carnot maupun Ericsson.
Jenis Mesin Stirling
Alpha Stirling
Mesin 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.
Beta Stirling
Mesin Stirling beta memiliki piston daya tunggal yang diatur dalam silinder yang sama pada poros yang sama sebagai displacer piston. 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. Tidak seperti jenis alfa, jenis beta tidak akan menyebabkan isolator (pipa pemisah jika dalam bentuk alfa) menjadi panas.
Gamma Stirling
Mesin Stirling gamma 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 sama. Gas dalam dua silinder dapat mengalir bebas karena mereka berada dalam satu tubuh. Konfigurasi ini menghasilkan rasio kompresi lebih rendah, tetapi mekanis ini cukup sederhana dan sering digunakan didalam mesin Stirling multi-silinder.
Mesin stirling yang merupakan mesin dengan udara panas (hot-air machine) dikenal karena cara kerjanya yang mudah, kemampuannya menggunakan berbagai jenis bahan bakar, selain itu operasinya aman, tidak berisik, efisiensinya memadai (moderate), stabil dan rendah biaya perawatannya. Kekurangannya adalah ukurannya yang sangat besar namun daya keluarannya (output) kecil dan harganya mahal (untuk ukuran saat itu). Namun pada masa ini, desain mesin udara panas telah disempurnakan, dengan bobot dan harga yang lebih murah, konstruksi dan operasinya yang mudah, dan yang lebih penting lagi adalah variasi bahan bakarnya yang tetap tidak berubah (bisa dengan udara ataupun gas). Mesin Stirling generasi baru ini jauh lebih kuat, lebih efisien, tidak berisik, mudah penggunaannya, dan memiliki daya tahan yang lebih tinggi, serta mudah diproduksi secara massal.
Berikut ini beberapa contoh penggunaan mesin stirling:
Mesin pompa untuk irigasi (pengairan) dengan menggunakan Biomasa*)
Mesin pembangkit listrik (generator) , ukuran kecil dan pemukiman (daya besar)
Mesin pemecah padi, gandum dsb, memakai sekam sebagai bahan bakarnya*)
Mesin untuk pendingin / freezer portable.
Mesin-mesin dengan tenaga surya (matahari) sebagai pembangkit dayanya. Aplikasinya luas, bisa mesin pompa, generator listrik dll.
*) sebagai pemanasnya, mesin Stirling biasanya digunakan untuk mesin penggerak dengan daya antara 100 watts sampai 20 kW.
Simpulan
Mesin Stirling merupakan mesin pembakaran eksternal yang menggunakan udara atau gas sebagai fluida kerjanya dan bekerja berdasarkan prinsip peredaran termodinamika
Mesin Stirling memiliki dua piston untuk ekspansi dan kompresi
Siklus Stirling terdiri dari dua proses isotermal dan dua proses isometrik
Mesin Stirling dibedakan menjadi tiga jenis yaitu Alpha Stirling, Beta Stirling, dan Gamma Stirling
Mesin Stirling biasa digunakan untuk mesin pompa, mesin pembangkit listrik, mesin pendingin, dan mesin bertenaga surya
DAFTAR PUSTAKA
Anonim. Termodinamika Teknik II.
http://ft.unsada.ac.id/wp-content/uploads/2010/02/bab2-tm2.pdf
diunduh pada tanggal 10 April 2013 jam 14.32
Anonim. Siklus Stirling.
http://mesin.ub.ac.id/diktat_ajar/data/02_c_bab1n2_termo1.pdf
diunduh pada tanggal 10 April 2013 jam 14. 40
Moran, Michael J dan Howard N Shapiro. 2004. Termodinamika Teknik Jilid 2. Jakarta: Erlangga.
Reynolds, William C dan Henry Cperkins. 1991. Termodinamika Teknik. Jakarta: Erlangga.
