THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90...

139
PERANCANGAN TERMODINAMIKA DAN PENGUJIAN PROTOTYPE MOTOR STIRLING TIPE ALPHA (α) DENGAN KONFIGURASI V – 90 TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan Akademik Program Sarjana Strata Satu oleh : Anggit Yuliartono M 12 – 2005 – 072 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI NASIONAL BANDUNG 2010

description

Final Project of Bachelor Degree Program

Transcript of THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90...

Page 1: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

PERANCANGAN TERMODINAMIKA DAN PENGUJIAN

PROTOTYPE MOTOR STIRLING TIPE ALPHA ( α) DENGAN

KONFIGURASI V – 90

TUGAS AKHIR

Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan Akademik Program Sarjana Strata Satu

oleh :

Anggit Yuliartono M 12 – 2005 – 072

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI NASIONAL

BANDUNG 2010

Page 2: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Untuk Ibunda Asiani M,

Ayahanda Marsudi

serta adik-adik A. Riyadhi dan A. Riyanto

There is no such thing called failed,

there is only only delayed success

Give thanks for what you are now, and

keep fighting for what you want to be

tomorrow.

Page 3: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

i

LEMBAR PENGESAHAN

TUGAS AKHIR

PERANCANGAN TERMODINAMIKA DAN PENGUJIAN

PROTOTYPE MOTOR STIRLING TIPE ALPHA ( α) DENGAN

KONFIGURASI V – 90

Disahkan Oleh :

Dosen Pembimbing Tugas Akhir Bandung, Maret 2010

(MUH. RIDWAN, S.T, M.T.)

Dosen Ko. Pembimbing Tugas Akhir Bandung, Maret 2010

(LIMAN H, S.T.)

Page 4: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Abstrak

Pada saat ini perkembangan motor bakar menuju ke arah motor bakar yang ramah lingkungan dan menekankan pada pemakaian biaya yang lebih rendah. Hal ini disebabkan karena semakin menipisnya persediaan bahan bakar fosil yang tersedia di dunia.

Berdasarkan pemikiran tersebut, penelitian ini dilakukan untuk mengembangkan sebuah motor bakar yang menggunakan bahan bakar yang low cost dan relatif tidak membahayakan lingkungan, dalam artian emisinya rendah. Bahan bakar digunakan sebagai sumber energi kalor yang dikonversikan oleh motor bakar menjadi energi mekanik berupa gerakan translasi piston yang kemudian diubah menjadi gerakan rotasi flywheel.

Untuk mendapatkan hasil tersebut digunakan motor bakar berupa motor stirling. Motor stirling adalah salah satu jenis motor bakar dimana pembakarannya terjadi di luar.

Dalam proses pembuatan sebuah prototype motor stirling, dibutuhkan proses perancangan. Proses perancangan tersebut meliputi proses perhitungan termodinamika yang nantinya dijadikan sebagai acuan dalam perancangan elemen mesin, pemilihan bahan dan penentuan dimensi dari prototype tersebut.

Dari hasil perancangan termodinamika diperoleh temperatur ekspansi 500 oC dan temperatur kompresi 50 oC dengan fluida berupa udara dengan konstanta gas 286 J/(Kg.K) dan volume sisa pada keadaan piston kompresi dan ekspansi adalah sama besar, yaitu 13 cm3. Daya yang dihasilkan pada perancangan sebesar ±75 Watt pada putaran 800 rpm dengan efisiensi thermal motor stirling 55,6%. Dari hasil perancangan konstruksi diperoleh sudut optimal antar silinder adalah 90o. Berdasarkan perancangan tersebut, pembuatan motor stirling dapat dilakukan untuk kemudian dilakukan pengujian.

Pada akhirnya prototype motor stirling yang dibuat tidak dapat beroperasi. Prototype motor stirling tersebut tidak dapat beroperasi dikarenakan beberapa hal, salah satu penyebabnya adalah adanya kebocoran.

Page 5: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Abstract

Present, development of heat engine is going to environment friendly heat engine, and also with a low cost engine. These things is caused by decreasing the fossil fuel that available on earth.

Based on that analysis, purpose of this research is to develop heat engine that could use low cost fuel and relatively non pollution, it mean is low emission. The fuel is used for heat source that shall converted by a heat engine into a mechanic energy. The form of mechanic energy is a translation movement by a piston and continued to a rotational movement by a crankshaft.

Stirling engine is one kind of heat engine that used to get these result. Oxidation on stirling engine is happened outside the cylinder chamber, so that, stirling engine called external combustion engine.

In the making process of a stirling engine prototype, needs designing process. Designing process involved a thermodynamic design process that undergrid the mechanical element design, mechanism design., material selecting and dimensioning that prototype.

From thermodynamic design derives : expansion temperature at 500 oC and compression temperature at 40 oC with air (286 J/(Kg.K)) as fluid, and remain volume at compression and expansion of the piston are same, 13 cm3. Output power from design are 253,89 Watt at 1000 rpm with thermal motor efficiency of stirling engine 55,6%. Optimal angle between cylinders from construction design are 90o. Prime material used is Al 2024 with thickness of cylinder head 8 mm. Based on those design, stirling engine can be made and testing the engine.

Stirling engine that built can not working. Stirling engine prototype can’t working because of several things, one of those is leaking that happened on that engine.

Page 6: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

iv

KATA PENGANTAR

Segala puji syukur dan terima kasih kepada Tuhan Yang Maha Esa yang

telah memberikan rahmat dan hidayah-Nya, sehingga laporan tugas akhir ini dapat

diselesaikan. Adapun judul dari Laporan tugas akhir adaah “PERANCANGAN

TERMODINAMIKA DAN PENGUJIAN PROTOTYPE STIRLING ENGINE

TIPE ALPHA ( α) DENGAN KONVIGURASI V-90 ”.

Laporan tugas elemen mesin ini merupakan persyaratan dalam menempuh

ujian sarjana strata satu di jurusan Teknik Mesin Itenas, Bandung. Dalam

penyusunan laporan ini tidak terlepas dari bantuan berbagai pihak yang telah

memberi bantuan dan bimbingannya. Oleh karena itu, dalam kesempatan ini

penulis secara khusus mengucapkan terima kasih kepada :

1. Ibu, Ayah dan adik-adik yang selalu memberi kasih sayang, dukungan dan

dorongannya, baik secara moral maupun materil serta doa sehingga tugas

akhir ini dapat diselesaikan.

2. Bapak Muh. Ridwan, S.T, M.T yang telah banyak memberi saran,

masukan, bimbingan dan motifasi selama melaksanakan tugas akhir.

3. Bapak Liman H, S.T. yang telah banyak memberi saran, masukan,

bimbingan dan motifasi selama melaksanakan tugas akhir.

4. Bapak M. Yuhan, M.T dan Bapak Encu S, M.T selaku dosen wali dan

kepala Jurusan Teknik Mesin Itenas, Bandung.

5. Bapak Oman selaku laboran Lab. CNC, Bapak Idan selaku laboran Lab.

Teknik Produksi, Bapak Nino dan Ari selaku operator mesin MCV-300

yang telah membantu dalam pembuatan beberapa komponen dalam tugas

akhir ini.

6. Bapak Memed, selaku laboran Lab. Konversi Energi dan seluruh rekan-

rekan assisten Lab. Konversi Energi yang telah banyak memberi bantuan

pada saat pengujian dilakukan di laboratorium Konversi energi.

7. Seluruh staf pengajar, tata usaha dan pelaksana di jurusan teknik mesin

Itenas, Bandung yang telah memberi bantuannya.

8. Seluruh rekan-rekan assisten Lab. Konstruksi.

Page 7: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

v

9. Partner Dito Prayudi, S.T yang telah banyak berbagi ilmu selama tugas

akhir.

10. Rekan-rekan, khususnya Wedha A, Asep S dan Whisnu W yang telah

banyak membantu serta seluruh mahasiswa mesin angkatan 2005.

11. Seluruh rekan-rekan anggota HMM Itenas, Bandung.

Penulis menyadari bahwa penyusunan laporan ini masih jauh dari

sempurna. Oleh karena itu, penulis sangat terbuka atas saran dan kritik yang

membangun demi kemajuan penulisan laporan berikutnya. Akhirnya, penulis

berharap semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi kita semua.

Bandung, Februari 2010

Penulis

Page 8: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

vi

DAFTAR ISI

Lembar Pengesahan i

Abstrak ii

Kata Pengantar iv

Daftar Isi vi

Daftar Gambar x

Daftar Tabel xii

Bab I PENDAHULUAN 1

1.1. Latar Belakang 1

1.2. Tujuan Perancangan dan Pengujian 2

1.3. Ruang Lingkup Kajian 3

1.4. Metodologi Perancangan dan Pengujian 4

1.5. Sistematika Penulisan 5

Bab II TINJAUAN PUSTAKA 6

2.1. Pendahuluan Mengenai Motor Stirling 6

2.2. Sejarah Singkat Mesin Stirling 7

2.2.1. Penemuan Mesin Stirling 9

2.2.2. Pengembangan Mesin Stirling 10

2.3. Siklus Stirling 12

2.3.1. Siklus Stirling Ideal 12

2.3.2. Siklus Stirling Sebenarnya 15

2.3.3. Analisis Siklus Stirling Ideal 16

2.4. Prinsip Kerja Motor Stirling 19

2.4.1. Prinsip Kerja Dasar Motor Stiring 19

2.4.2. Prinsip Kerja Motor Stirling Tipe Alpha (α) 20

2.4.3. Regenerator 24

2.5. Jenis Motor Stirling 26

Page 9: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

vii

2.5.1. Berdasarkan Penggunaannya 26

2.5.2. Berdasarkan Konfigurasi Mekaniknya 27

2.6. Karakteristik Motor Stirling 29

2.6.1. Beberapa Keuntungan Dari Motor Stirling. 29

2.6.2. Beberapa Kelemahan Dari Motor Stirling 30

2.7. Pendekatan Termodinamika Motor stirling 30

2.7.1. Asumsi-asumsi Pada Teori Schmidt 31

2.7.2. Persamaan-persamaan Yang Digunakan Pada Perancangan Mesin

Stirling Tipe Alpha (α) Menurut Teori Schimdt 34

2.8. Perencanaan Sirip 39

2.9. Material Untuk Silinder Panas dan Dingin 41

Bab III PERANCANGAN TERMODINAMIKA 43

3.1. Kondisi Termodinamika Yang Digunakan Dalam Perancangan 43

3.2. Parameter Berdasarkan Kondisi Termodinamika 46

3.3. Massa Udara Yang Diperlukan Sebagai Fluida kerja 47

3.4. Tekanan Rata-rata (Pmean) 49

3.5. Tekanan Ekstrim Siklus 50

3.5.1. Tekanan Maksimum (Pmax) 50

3.5.2. Tekanan Maksimum (Pmax) 51

3.6. Kerja Indikator Yang Dihasilkan Dalam Satu Siklus (Wi) 51

3.6.1. Kerja ekspansi (WE) 52

3.6.2. Kerja kompresi (WC) 52

3.6.3. Kerja Indikator (WI) 52

3.7. Efisiensi Thermal Yang Dihasilkan (ηt) 53

3.8. Diagram P-V Hasil Perancangan Motor Stirling 54

3.9. Perhitungan Temperatur Di Permukaan Silinder Panas 56

3.10. Perhitungan Perpindahan Panas Melalui Sirip 60

3.11. Perencanaan Regenerator 65

Bab IV PENGUJIAN MOTOR STIRLING 66

Page 10: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

viii

4.1. Prosedur Pengujian 66

4.1.1. Prosedur Untuk Melakukan Pengujian 66

4.1.2. Pengamatan Pada Pengujian 68

4.1.3. Langkah Pemecahan 69

4.2. Modifikasi Yang Dilakukan 69

4.3. Pengujian Dan Permasalahan 70

4.3.1. Pengujian Dan Prosedur Penentuan Masalah 70

4.3.2. Tahapan Pengujian Yang Dilakukan 72

4.3.2.1. Pengujian I 72

4.3.2.2. Pengujian II 73

4.3.2.3. Pengujian III 75

4.3.2.4. Pengujian IV 75

4.3.2.5. Pengujian V 76

4.3.2.6. Pengujian VI 77

4.3.2.7. Pengujian VII 78

4.3.2.8. Pengujian VIII 79

4.3.2.9. Pengujian IX 80

4.4. Pengukuran Parameter-Parameter Termodinamika 83

Bab V PENGOLAHAN DATA 89

5.1. Data Hasil Pengujian 89

5.2. Parameter Berdasarkan Kondisi Termodinamika 89

5.3. Massa Udara Yang Diperlukan Sebagai Fluida Kerja 90

5.4. Tekanan rata-rata (Pmean) 91

5.5. Tekanan Ekstrim Siklus 92

5.5.1. Tekanan Maksimum (Pmax) 92

5.5.2. Tekanan Minimum (Pmin) 92

5.6. Kerja indikator yang dihasilkan dalam satu siklus (Wi) 93

5.6.1. Kerja ekspansi (WE) 93

5.6.2. Kerja kompresi (WC) 94

5.6.3. Kerja Indikator (WI) 95

Page 11: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

ix

5.7. Efisiensi Thermal Yang Dihasilkan (ηt) 95

5.8. Diagram P-V Hasil Pengujian Motor Stirling 95

Bab VI ANALISIS 97

6.1. Analisis Secara Umum 97

6.2. Analisis Perancangan Termodinamika 97

6.3. Analisis Dari Rangkaian Percobaan yang Dilakukan 98

Bab VII KESIMPULAN DAN SARAN 101

7.1. Kesimpulan 101

6.1.1. Kesimpulan Perancangan 101

6.1.2. Kesimpulan Pengujian 103

7.2. Saran 103

Daftar Pustaka xiv

Lampiran xv

Page 12: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

x

DAFTAR GAMBAR

1. Gambar 2.1 : Proyek Solar Energy dari Solar Array sited di gurun Mojave,

California Desert dengan menggunakan SunCatcherTM Technologies dari SES

Stirling Energy Systems 8

2. Gambar 2.2 Sketsa penemuan Robert Stirling 9

3. Gambar 2.3 Siklis Stirling Ideal dalam Diagram P‐v and dan diagram T‐s 12

4. Gambar 2.4 Siklus stirling sebenarnya 15

5. Gambar 2.5 udara dalam keadaan tekanan atmosfer (a), dipanaskan (b) dan

didinginkan (c) 20

6. Gambar 2.6 Posisi engkol tertentu pada stirling alpha 21

7. Gambar 2.7 Posisi engkol tertentu pada stirling alpha 22

8. Gambar 2.8 Posisi volume maksimum dan minimum 23

9. Gambar 2.9 grafik sudut engkol VS volume dan sudut engkol VS tekanan 23

10. Gambar 2.10 Susunan Motor Stirling tipe alpha 26

11. Gambar 2.11 Skema Motor Stirling tipe alpha 26

12. Gambar 2.12 Susunan Motor Stirling tipe beta 26

13. Gambar 2.13 Skema Motor Stirling tipe beta 27

14. Gambar 2.14 susunan Motor Stirling tipe gamma 27

15. Gambar 2.15 Skema Motor Stirling tipe gamma 27

16. Gambar 2.16 Volume sebagai fungsi sinusoidal 31

17. Gambar 2.17. Mesin Stirling tipe Alpha 33

Page 13: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

xi

18. Gambar 3.1 Skema Mesin Stirling Tipe Alpha (a) dan (b), dengan

konfigurasi V (a) 44

19. Gambar 3.2 (a) Diagram P-V hasil perancangan 55

20. Gambar 3.2 (b) Diagram V vs Angle hasil perancangan 55

21. Gambar 3.2 (c) Diagram P vs Angle hasil perancangan 55

22. Gambar 3.3 Distribusi temperatur di hot cylinder head 56

23. Gambar 3.4 Konstruksi sirip dan distribusi temperatur pada sirip 62

24. Gambar 4.1 Konfigurasi Motor Stirling (A) Dan Burner Lpg(B) 66

25. Gambar 4.2 Kebocoran Yang Terjadi 67

26. Gambar 4.3 Penambahan Extension Cylinder 69

27. Gambar 4.4 Parabolic Mirror 69

28. Gambar 4.5 Motor Stirling Yang Sudah Dirakit 71

29. Gambar 4.6 Pengujian Pada Tanggal 25 Januari 2010 79

30. Gambar 4.7 Pengujian Pada Tanggal 26 Januari 2010 80

31. Gambar 4.8 Sensor Tekanan 81

32. Gambar 4.9 Pemasangan Sensor Tekanan 82

33. Gambar 4.10 Termokopel Tipe K 82

34. Gambar 4.11 Pemasangan Sensor Termokopel 83

35. Gambar 4.12 Pengujian Pada Tanggal 6 Februari 2010 84

36. Gambar 4.13 Grafik Temperatur vs Waktu 83

37. Gambar 4.14 Pengujian Pada Tanggal 8 Februari 2010 83

38. Gambar 4.15 Grafik Temperatur vs Waktu 83

Page 14: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

xii

DAFTAR TABEL

1. Tabel 2.1 Simbol-simbol yang digunakan 32

2. Tabel 3.1 Daya indikator motor stirling berdasarkan variasi putaran 53

3. Tabel 3.2 Perhitungan untuk membuat diagram P-V 54

4. Tabel 4.1 Tindakan yang dilakukan 71

5. Tabel 5.1 Daya indikator motor stirling berdasarkan variasi putaran 94

6. Tabel 5.2 Perhitungan untuk membuat diagram P-V 95

7. Tabel 7.1 Spesifikasi teknis hasil perancangan termodinamika 101

Page 15: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Kemajuan teknologi pembangkit daya di negara-negara maju,masih

sulit untuk diikuti oleh para ahli Indonesia. Kekurangan tenaga ahli,

kekurangan fasilitas, kekurangan pendanaan riset, dan lemahnya koordinasi

adalah sebagian dari masalah utama yang sering ditunjuk sebagai penghalang

kemajuan teknologi di bidang rancang-bangun mesin. Padahal di kalangan

perguruan tinggi banyak tercetus ide-ide dalam hal perancangan dan

pembuatan mesin-mesin pembangkit daya, tetapi karena kurang mendapat

dukungan baik dari pemerintah maupun investor untuk membantu khususnya

dalam hal pendanaan riset, maka ide-ide tersebut akhirnya tidak dapat

dikembangkan lebih lanjut.

Dengan adanya masalah tersebut di atas, maka dalam Tugas Akhir ini

dirancang, dibuat dan diuji sebuah prototype Motor Stirling yang merupakan

keluarga motor bakar yang berguna sebagai pembangkit daya.

Stirling adalah mesin kalor yang mengambil kalor dari luar silinder

kerjanya. Sumber kalor apapun, selama beda temperaturnya cukup tinggi,

akan bisa menggerakkan motor stirling ini. Motor ini merupakan salah satu

mesin kalor dengan emisi terbersih. Motor stirling juga merupakan motor

yang termasuk pada motor pembakaran luar (external combustion engine),

mesin yang memanfaatkan siklus tertutup regeneratif (closed-cycle

Page 16: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 2

Anggit Yuliartono M | 2010

regenerative machines). Analisis secara termodinamik dari motor stirling

menunjukkan bahwa efisiensi thermal mesin ini sama dengan efisiensi siklus

Carnot. Meskipun motor ini ditemukan sebelum ditemukannya motor bakar

pembakaran dalam (internal combustion engines), motor stirling belum

diproduksi untuk tujuan komersial. Alasan utama mengapa mesin ini tidak di-

komersialkan adalah kurang kompetitifnya mesin ini jika dibandingkan

dengan mesin yang menggunakan motor bakar pembakaran dalam dari segi

daya spesifiknya dan dimensinya. (Karabulut, 1994).

Secara prakteknya, siklus stirling berbeda dengan siklus teoritik yang

di dalamnya terdapat proses dua temperatur konstan dan dua volume konstan.

Banyak teori yang bisa dijadikan dasar untuk analisis termodinamik mengenai

motor stirling. Salah satunya dikemukakan oleh Schmidt (1871), teori ini

kemudian dikenal dengan nama Schmidt Theory.

1.2 Tujuan Perancangan dan Pengujian

Perancangan termodinamika dan pengujian prototype motor stirling ini

bertujuan untuk:

• Merancang motor stirling dengan dua silinder, bagian panas dan bagian

dingin dengan mengaplikasikan teori Schmidt.

• Memakai bahan bakar terbarukan(renewable energy), sebagai alternatif

pengganti bahan bakar alam (hasil pengembangan).

Page 17: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 3

Anggit Yuliartono M | 2010

• Mengestimasi prestasi dari motor stirling yang dirancang, untuk

kemudian dibandingkan dengan hasil perancangan termodinamika motor

stirling ini.

1.3 Ruang Lingkup Kajian

Pada penelitian dirancang dan diuji sebuah motor stirling tipe alpha

dengan konfigurasi – V yang meliputi perancangan termodinamika yang

mendasarkan pada siklus stirling ideal dengan menggunakan teori Schmidt

dan pengujian yang berguna untuk membandingkan hasil rancangan

termodinamika dan hasil pengujian di laboratorium. Perancangan

termodinamika motor stirling ini, meliputi :

1. Perencanaan volume silinder.

2. Temperatur silinder panas dan dingin dari motor stirling.

3. Tekanan maksimum dan minimum yang dicapai motor stirling.

Pada perencanaan volume silinder dari motor stirling ini, digunakan

komponen-komponen piston dari sepeda motor Yamaha Jupiter-Z untuk

mencapai volume 110 cc, selain piston, komponen dari Yamaha Jupiter-Z

yang digunakan antara lain poros engkol dan batang penghubung.

Page 18: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 4

Anggit Yuliartono M | 2010

1.4 Metodologi Perancangan dan Pengujian

Untuk memperoleh data-data yang mendasari proses perancangan dan

pengujian pada tugas akhir ini, metodologi yang dilakukan adalah sebagai

berikut :

1. Studi lapangan

Observasi langsung pada komponen-komponen motor bakar dengan

siklus Otto (motor bakar dengan bahan bakar premium) karena

komponen utama yang digunakan merupakan komponen-komponen

dari sepeda motor Yamaha Jupiter Z.

2. Studi literatur

Mencari referensi yang berhubungan dengan motor stiring, baik

berupa video, e-book dan laporan penelitian yang telah dilakukan

sebelumnya. referensi tersebut dapat diperoleh dari internet, dan buku-

buku mengenai stirling engine.

3. Diskusi

Diskusi langsung dengan dosen pembimbing dan dosen lainnya Di

Jurusan Teknik Mesin Itenas, berdiskusi di forum stirling engine

community baik di server dalam maupun luar negeri, serta berdiskusi

pihak-pihak lain termasuk kawan-kawan mahasiswa yang menunjang

tercapainya tujuan tugas akhir ini.

Page 19: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 5

Anggit Yuliartono M | 2010

1.5 Sistematika Penulisan

Dalam penulisan laporan tugas akhir ini akan dilaporkan dengan

sistematika pembahasan sebagai berikut :

Bab I Pendahuluan, Bab ini berisi tentang latar belakang dan rumusan

masalah dilakukannya tugas akhir, tujuan, ruang lingkup kajian, metodologi,

dan sistematika pembahasan yang menjadi dasar dan kerangka kerja dalam

merancang dan menguji motor stirling ini.

Bab II Tinjauan Pustaka, Bab ini akan dibahas tentang teori-teori yang

berkaitan dengan hal-hal yang disebutkan dalam tujuan masalah di atas dan

cara pembahasan dari masing-masing permasalahan, melalui studi pustaka

dari berbagai literatur.

Bab III Perancangan, Bab ini berisi tentang perhitungan analisis

termodinamika motor stirling dengan teori Schmidt, kemudian berisikan

perhitungan sirip, perhitungan kerugian energi akibat gesekan antara ring

piston dan dinding silinder.

Bab IV Pengujian, Bab ini berisi tentang cara dan hasil pengujian

motor stilring yang telah dibuat, serta riwayat pengujian yang dilakukan di

Laboratorium Konversi Energi Institut Teknologi Nasional.

Bab V Analisa, Bab ini berisi tentang analisa-analisa berdasarkan hasil

perancangan dan pengujian motor stirling.

Page 20: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 6

Anggit Yuliartono M | 2010

Bab VI Kesimpulan, Bab ini berisi tentang kesimpulan-kesimpulan

dari perancangan dan pengujian motor stirling untuk mencapai tujuan yang

diinginkan.

Daftar Pustaka, Berisi tentang referensi buku dan literatur yang

menjadi acuan dalam penulisan laporan ini.

Lampiran, Berisi tentang tabel-tabel dan grafik-grafik yang digunakan

dalam perancangan, gambar teknik dari hasil perancangan serta foto-foto

motor stirling yang telah dibuat pada saat pengujian.

Page 21: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Pendahuluan Mengenai Motor Stirling

Stirling adalah mesin kalor yang mengambil kalor dari luar silinder

kerjanya. Sumber kalor apapun, selama temperaturnya cukup tinggi, akan

bisa menggerakkan motor stirling ini.

Secara prakteknya, siklus stirling berbeda dengan siklus teoritik yang

di dalamnya terdapat proses dua temperatur konstan dan dua volume konstan.

Banyak teori yang bisa dijadikan dasar untuk analisis termodinamik mengenai

motor stirling. Salah satunya dikemukakan oleh Schmidt (1871), teori ini

kemudian dikenal dengan nama Schmidt Theory.

Dalam perkembangannya, motor stirling dapat digunakan sebagai

pembangkit listrik yang menggunakan sumber energi terbarukan, seperti

energi matahari. Konsep pemanfaatan energi matahari untuk mengoperasikan

mesin stirling tidak dengan photovoltaic seperti yang sudah banyak ditemui di

dunia global, tetapi menggunakan parabolic mirror dish seperti yang tertera

pada gambar dibawah.

Page 22: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 8

Anggit Yuliartono M | 2010

Gambar 2.1 : Proyek Solar Energy dari Solar Array sited di gurun Mojave, California Desert

dengan menggunakan SunCatcherTM Technologies dari SES Stirling Energy Systems2

2.2. Sejarah Singkat Mesin Stirling

Penemu dari mesin stirling adalah Robert Stirling (1790-1878), beliau

adalah preacher (pendeta) dan penemu. Beliau juga merupakan mentri gereja

negara Skotlandia pada saat itu yang tertarik pada kesehatan fisik dan

keselamatan dari jemaah gerejanya dalam rangka untuk kebaikan jiwanya.

2.2.1. Penemuan Mesin Stirling

Beliau menemukan mesin stirling (yang beliau sebut “air engine") karena

mesin uap pada masa itu seringkali meledak, membunuh dan melukai orang-

orang berada di dekat mesin uap tersebut pada saat meledak. Mesin yang

dibuat Robert Stirling lebih aman dengan alasan tidak akan meledak, dan

mesin-mesin tersebut memproduksi daya yang lebih besar daripada mesin uap

pada saat itu. Pada tahun 1816, Stirling menerima hak paten pertama dari tipe

baru “air engine.” Mesin yang ia bangun, dan mesin-mesin selanjutnya yang

mengikuti, pada saat ini

2Stirling energy system, SES . 2008 . Solar Two . diakses tanggal 15 November 2008 . dari http://www.stirlingenergy.com/projects/default.asp

Page 23: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 9

Anggit Yuliartono M | 2010

menjadi dikenal sebagai “hot air engines.” Mesin-mesin tersebut terus disebut

sebagai “hot air engines“ sampai tahun 1940-an, ketika gas lain seperti

helium dan hydrogen digunakan sebagai fluida kerja. Saudara laki-laki dari

Robert, James Stirling, juga mempunyai peran penting dalam pengembangan

dari mesin Stirling/Stirling engines.

Gambar 2.2 Sketsa penemuan Robert Stirling1

Tetapi, seiring dengan ditemukannya motor bakar pembakaran dalam

pada akhir abad -19 dan banyaknya penggunaan motor listrik, maka motor

stirling ini pun semakin dilupakan.

2.2.2. Pengembangan Mesin Stirling

Sejak awalnya mesin Stirling memiliki reputasi kerja yang baik dan masa

kerja yang lama (di atas 20 tahun), antara lain digunakan sebagai mesin

pompa air dengan kapasitas rendah, yaitu pada pertengahan abad ke sembilan

belas sampai sekitar tahun 1920, yaitu ketika mesin pembakaran internal dan

motor listrik mulai menggantikannya. Mesin dengan udara panas (hot-air

engine) 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

1 Maier, Cristpoh . Stirling engine . 2007 . University of Gavle

Page 24: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 10

Anggit Yuliartono M | 2010

perawatannya. Kekurangannya adalah ukurannya yang sangat besar namun

daya keluarannya (output) kecil dan harga investasinya tinggi / mahal (untuk

ukuran saat itu).

Lepas dari pada itu, karena biaya operasinya rendah, maka mesin

Stirling dipilih aplikasinya untuk mesin dengan tenaga uap pilihan satu-

satunya pada saat itu yang boros bahan bakar untuk mesin dengan daya yang

sama, dan memerlukan perhatian khusus untuk mencegah terjadinya bahaya

ledakan atau kerusakan lainnya.

Kekurangan utama lainnya untuk jenis mesin udara panas adalah

kecenderungannya gagal operasi apabila heater head terlalu panas, walaupun

hal itu kemudian dapat diatasi setelah dilakukan rekayasa ulang heater head

nya, 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 lainnya yang

bermunculan di pasaran pada waktu itu yang harganya 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 - II. Desain

mesin udara panas yang 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). Ironisnya, beberapa negara maju justru tidak tertarik

Page 25: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 11

Anggit Yuliartono M | 2010

menggunakan sistem mesin yang “sangat sederhana” ini untuk umpamanya

pada mesin otomotif yang canggih, sistem pembangkit daya (listrik, bukan

untuk daya dorong primer) pada pesawat ruang angkasa.

Situasi ini kemudian berubah tahun 1980, setelah 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 berkembang lainnya , di

Afrika, Asia dan Amerika Latin, sebagai salah satu solusi mesin yang murah

dan hemat energi dengan menggunakan udara atau gas (helium, hydrogen,

nitrogen, methanol dsb) sebagai fluida kerjanya.

2.3. Siklus Stirling

2.3.1. Siklus Stirling Ideal

Gambar 2.3 memperlihatkan siklus stirling ideal. Siklus ini terdiri dari 4

(empat) proses yang dikombinasikan menjadi sebuah siklus tertutup, yaitu,

dua proses isothermal dan dua proses isochorik. Proses-proses tersebut

ditunjukkan pada diagram tekanan-volume (P‐v) dan diagram

temperatur‐entropi (T‐s). Luas area didalam diagram siklus stirling tersebut

adalah kerja indikator yang dihasilkan dari siklus tersebut. Kerja dihasilkan

oleh siklus hanya dihasilkan dari proses isothermalnya saja. Untuk

memfasilitasi kontinuitas kerja dari dan menuju sistem, sebuah flywheel harus

Page 26: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 12

Anggit Yuliartono M | 2010

diintegrasikan dalam rancangan mesin stirling. Flywheel berguna sebagai

storage device untuk energi. Dalam siklus ini, panas harus ditransmisikan

dalam seluruh prosesnya. (Borgnakke et al,2003).

Gambar 2.3 Siklis Stirling Ideal dalam Diagram P‐v and dan diagram T‐s3

Kerja yang dihasilkan dari siklus stirling tertutup ideal

direpresentasikan oleh luas area 1‐2‐3‐4 pada diagram P‐V. Dari Hukum

Pertama Termodinamika, kerja output harus sama dengan panas input yang

direpresentasikan pada area 1‐2‐3‐4 di diagram T‐S. Regenerator dapat

digunakan untuk mengambil panas dari fluida kerja di proses 4‐1 dan

mengembalikan lagi panas dalam proses 2‐3. Siklus Carnot memperlihatkan

efisiensi teoritik dari sebuah siklus termodinamika.

3Power from the Sun. (2008a). Power Cycles for Electricity Generation. diakses 12 October 2008 dari http://www.powerfromthesun.net/chapter12/Chapter12new.htm#12.3.1%20%20%20%20%20Stirling%20Engines

Page 27: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 13

Anggit Yuliartono M | 2010

Proses siklus Stirling Ideal :

Proses 1‐2 : Kompresi Isothermal

Piston pada silinder panas memberikan kerja pada fluida kerja dan

mengkompresikannya secara isothermal pada temperatur dingin, pada saat

hal yang sama terjadi juga pembuangan kalor ke lingkungan. Karena fluida

kerja bertekanan rendah pada saat itu, diperlukan kerja yang lebih sedikit

untuk mengkompresikan daripada kerja yang dihasilkan pada proses ekspansi.

• Pembuangan panas ke silinder dingin.

• Q12 = area 1‐2‐b‐a pada diagram T‐s

• Fluida kerja dikenai kerja. (pertukaran energi dari flywheel)

• W12 = area 1‐2‐b‐a pada diagram P‐v

Proses 2‐3 : Kompresi Isokhorik

Piston mentransfer fluida kerja secara isochoric melewati regenerator menuju

silinder panas. Kalor dihantarkan ke fluida kerja ketika gas melewati

regenerator, mengakibatkan naiknya temperatur fluida kerja ketika masuk ke

silinder panas.

• Pemasukan Panas (pertukaran energi dari regenerator)

• Q23 = area 2‐3‐c‐b pada diagram T‐s

• W23 = 0

Proses 3‐4 : Ekspansi Isothermal

Fluida kerja dengan tekanan tinggi menyerap panas dari area panas dan

mengekspansikannya secara isothermal, hal ini mengakibatkan adanya kerja

pada piston

Page 28: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 14

Anggit Yuliartono M | 2010

• Panas ditransferkan dari smber panas

• Q34 = area 3‐4‐d‐c pada diagram T‐s

• Kerja dilakukan oleh fluida kerja (pertukaran energi ke flywheel)

• W34 = area 3‐4‐a‐b pada diagram P‐v

Process 4‐1 : Kompresi Isokhorik

Piston ekspansi mentransfer fluida kerja secara isochoric melewati

regenerator ke sisi dingin (silinder dingin) dari mesin. Kalor diserap dari

fluida kerja ketika fluida kerja melewati regenerator, hal ini juga membuat

temperatur fluida kerja menurun pada saat menuju silinder dingin.

• Pelepasan kalor (pertukaran energi ke regenerator)

• Q41 = area 1‐4‐d‐a pada diagram T‐s

• W41 = 0

2.3.2. Siklus Stirling Sebenarnya

Siklus stirling sebenarnya ditunjukkan pada gambar di bawah. Seperti

yang bisa dilihat, ada kerja selama proses 2-3 dan 4-1, tidak seperti prediksi

pada siklus ideal. Salah satu penyebab ketidakefisienan adalah disertakannya

regenerator pada motor stilring. penambahan regenerator menambah gesekan

pada aliran fluida kerja.

Page 29: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 15

Anggit Yuliartono M | 2010

Gambar 2.4 Siklus stirling sebenarnya

Penyebab utama lain yang menyebabkan inefisiensi dari siklus stirling

sebenarnya yaitu tidak seluruh fluida kerja berpartisipasi dalam siklusnya,

contohnya yaitu fluida kerja yang berada di volume sisa. Martini (2004)

menyatakan bahwa hubungan antara persentasi dari volume sisa dalam sistem

dengan penurunan kerja per siklus adalah linear. Maka dari itu, jika sebuah

motor stirling mempunyai 20% volume sisa, maka kerja output akan 80%

dari kerja apabila tidak ada volume sisa. Pada kenyatannya, volume sisa akan

selalu ada, karena adanya regenerator, clearances, pipa saluran, yang

diperlukan untuk meningkatkan pertukaran kalor pada sistem sebenarnya.

Meskipun begitu, siklus stirling yang ideal dapat dianalisis menggunakan

prinsip-prinsip termodnamika, analisis tersebut sebagai pengira-ngiraan dari

motor stirling sebenarnya.

Page 30: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 16

Anggit Yuliartono M | 2010

2.3.3. Analisis Siklus Stirling Ideal

Kerja output dari siklus Stirling dapat dievaluasi dengan cara integral

tertutup

(2.1)

Hal ini bisa dilihat dengan mudah sebagai luas area di dalam siklus

pada diagram P-v pada Gambar 2.4. Untuk mengevaluasi integral perlu

dipertimbangkan kerja yang dilakukan selama proses ekspansi isothermal dan

kompresi berlangsung,

(2.2)

dengan

mRTVp =.

dan T bernilai konstan untuk proses isothermal, m konstan untuk siklus

tertutup , maka,

(2.3)

dimana indeks H dan L menyatakan temperatur silinder panas dan silinder

dingin. Persamaan tersebut dapat disederhanakan lagi, karena V4 = V1 dan V3 =

V2 menjadi:

(2.4)

Kerja yang dihasilkan menggambarkan energi yang dihasilkan dari

sistem, tanda negatif berarti menandakan arah kemana energi tersebut, masuk

Page 31: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 17

Anggit Yuliartono M | 2010

atau keluar sistem. Berdasarkan Persamaan 2.4, kerja output dari siklus

stirling dapat ditingkatkan dengan memaksimalkan perbedaan antara (TH-TL),

massa fluida kerja, ataupun meningkatkan konstanta gas spesifiknya.

Aliran kalor dari dan ke siklus stirling dinyatakan oleh persamaan berikut :

dSTQH ∫=2

1

(2.5)

Digambarkan pada luas area dibawah kurva pada diagram T-S. Integral ini

dapat dievaluasi dengan menggunakan Hukum Pertama Termodinamika:

dQ = dU –dW

dimana,

dQ = TdS dan dW = - pdV

maka

TdS = dU - (- pdV )

jadi aliran kalor selama proses ekspansi isothermal dapat dinyatakan sebagai

bentuk perubahan energi dalam dan dengan melihat persamaan gas ideal :

pV = mRT

kemudian fungsi tekanan dapat dinyatakan sebagai bentuk volume dan

temperatur, maka integral tadi dapat diselesaikan menjadi :

(2.6)

denga teknik yang sama pada persamaan 2.4, maka didapat

=

3

4lnV

VmRTQ HH (2.7)

Page 32: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 18

Anggit Yuliartono M | 2010

Pada proses kompresi isothermal, kalor yang dilepaskan (dengan V4 = V1

dan V3 = V2, dimana subscripts H and L menyatakan temperatur silinder

panas dan dingin), maka:

−=

1

2lnV

VmRTQ LL (2.8)

Efisiensi dari setiap mesin kalor didefinisikan sebagai perbandingan kerja

output dengan kalor input.

HQ

W−=η

dengan mensubstitusikan Persamaan 2.4. dan 2.6., maka:

=

3

4

3

4

ln

)(ln

V

VmRT

TTV

VmRT LH

η (2.9)

dan dapat disederhanakan menjadi:

H

LH

T

TT )( −=η (2.10)

maka dapat diobservasi :

ηSTIRLING = ηCARNOT

atau, dengan kata lain, siklus stirling mempunyai kemungkinan efisiensi

maksimum seperti halnya dengan efisiensi Carnot sesuai dengan Hukum

Kedua Termodinamika. Tetapi bagaimanapun, harus diingat bahwa motor

stirling adalah mesin yang secara praktek dimana banyak faktor lain yang

mempengaruhi perhitungan secara matematisnya.

Page 33: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 19

Anggit Yuliartono M | 2010

2.4. Prinsip Kerja Motor Stirling

2.4.1. Prinsip Kerja Dasar Motor Stiring

Cara kerja mesin ini memanfaatkan sifat dasar Udara yang akan

memuai jika dipanaskan dan akan menyusut jika didinginkan. Dengan

demikian akan terjadi siklus pemuaian dan penyusutan sehingga sebuah

mesin dapat berputar. Dari definisi tadi dapat ditarik kesimpulan bahwa

sebuah stirling engine akan bekerja atau berputar jika terdapat perbedaan

temperatur. Perbedaan temperatur tersebut mengakibatkan adanya perbedaan

tekanan yang akhirnya menghasilkan ekspansi dari fluida kerjanya. Ekspansi

inilah yang dimanfaatkan untuk dikonversi menjadi kerja oleh piston yang

kemudian dihubungkan ke poros engkol (crankshaft) agar menjadi kerja

mekanik. Poros engkol ini kemudian dihubungkan ke flywheel agar dapat

terjadi siklus berikutnya.

a b c

Gambar 2.5 udara dalam keadaan tekanan atmosfer (a), dipanaskan (b) dan didinginkan (c)

Page 34: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 20

Anggit Yuliartono M | 2010

2.4.2. Prinsip Kerja Motor Stirling Tipe Alpha (α)

Seperti yang dapat dilihat pada gambar di bawah, motor stirling tipe

ini terdiri dari dua silinder dengan susunan saling membentuk sudut antara

saru sudut dengan yang lainnya, silinder tersebut adalah silinder panas

(ekspansi) dan silinder dingin(kompresi). Karena susunannya membentuk

sudut 90o, motor stirling tipe alpha ini disebut juga alpha stirling V-engine.

Motor stirling ini juga memerlukan flywheel. Pada gamber silinder panas di

bawah, ditunjukkan dengan disebelah kiri, yang dipanaskan dengan api dari

burner. Kemudian silinder dingin ditunjukkan di sebelah kanan pada gambar

di bawah, didinginkan dengan sistem pendinginan air. dan sebelum pendingin

selipkan regenerator yang berfungsi menaikkan efisiensi.

a b

Gambar 2.6 Posisi engkol tertentu pada stirling alpha

Gambar 2.6 (a) adalah posisi awal dari penjelasan prinsip kerja ini.

Piston di silinder panas berada pada posisi TMA. Pada posisi ini, diasumsikan

pada posisi 0o. Hampir seluruh fluida kerja berada di silinder dingin.

Kemudian karena adanya rotasi yang diberikan oleh pengasut, flywheel

berputar sebanyak 90o. Maka terjadi pergerakan dari silinder dingin ke

Page 35: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 21

Anggit Yuliartono M | 2010

silinder panas melewati regenerator. Pada keadaan ini, fluida kerja mengalami

pemanasan, temperaturnya naik. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.6

maka tekanan udara meningkat, lebih tinggi daripada tekanan awal seperti

pada Gambar 2.6(a). Pada kedua posisi engkol tersebut (Gambar 2.6(a) dan

2.6(b)). Volume dari engine ini tetap, tetapi tekanan meningkat pada silinder

panas.

Pada keadaan ini, tekanan tersebut akan mengakibatkan adanya gaya

yang bisa mendorong piston dan memberikan torsi bagi putaran flywheel.

Tekanan pada silinder dingin akan sama dengan tekanan pada silinder panas.

Pada Gambar 2.6(b) piston pada silinder dingin berada pada posisi TMA,

tetapi pada posisi ini, meskipun tekanan pada silider dingin sama dengan

silinder panas, gaya yang diakibatkan adanya tekanan tersebut belum cukup

untuk mendorong piston dan menghasilkan cukup torsi untuk memutar

engkol. Maka torsi untuk memutar engkolnya memanfaatkan inersia yang ada

pada flywheel.

a b

Gambar 2.7 Posisi engkol tertentu pada stirling alpha

Page 36: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 22

Anggit Yuliartono M | 2010

Pada Gambar 2.7(a) engkol berputar kembali sebesar 90o dan

menghasilkan torsi. Posisi engkol berada pada posisi 180o, volume udara

menjadi lebih besar pada kedua silinder. Pada posisi ini, ekspansi yang terjadi

di slinder panas berangsur-angsur berkurang, tetapi masih terjadi kerja pada

posisi ini. Energi yang disimpan di flywheel meningkat, karena perputaran

dari engkol dari posisi 90o ke 180o. Udara pada silnder dingin mulai bergerak.

Pada gambar 2.7(b) engkol kembali berputar ke posisi 270o, volume

silinder dingin meningkat. Pada posisi yang ditunjukkan pada Gambar 2.7(b)

kompresi fluida kerja mulai dilakukan. Sekedar informasi, volume maksimum

terjadi pada posisi engkol 255o (lihat Gambar 2.9. dan gambar grafik pada

Gambar 2.9) yang akan dibuktikan pada proses perancangan di bab

berikutnya.

Gambar 2.8 Posisi volume maksimum dan minimum

Page 37: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 23

Anggit Yuliartono M | 2010

Gambar 2.9 grafik sudut engkol VS volume dan sudut engkol VS tekanan

Gambar 2.9 menunjukkan hasil kalkulasi stirling alpha dengan

diameter kedua piston sama besar, dengan asumsi kerugian akibat gesekan

dan pressure loss dianggap sangat kecil, sehingga bisa diabaikan. Volume

dan tekanan fluida kerja ditunjukkan pada grafik diatas untuk satu rotasi.

dimana VE adalah volume dalam silinder panas, VC adalah volume pada

silinder dingin, VG adalah volume total termasuk di dalamnya volume

regenerator dan volume sisa setiap silinder. Pada kedudukan volume

maksimum, maka tekanan berada pada keadaan minimum.

Pada posisi selanjutnya, engkol berputar menuju posisi 360o, dimana

fluida kerja mengalami kompresi sambil mengalami pendinginan, dan

kembali lagi ke posisi awal. Pada perputaran posisi engkol dari 270o ke 360o,

diperlukan sejumlah energi yang berasal dari flywheel. seperti yang dijelaskan

sebelumnya. Berdasarkan perhitungan, energi tersebut akan lebih kecil dari

Page 38: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 24

Anggit Yuliartono M | 2010

energi yang dihasilkan dari ekspansi fluida kerja. Maka selisih energi inilah

kerja/energi indikator dari sebuah motor stirling.

2.4.3. Regenerator

Berdasarkan siklus teoritiknya, sebuah motor stirling dapt bekerja

tanpa regenerator. Tetapi bagaimanapun efisiensi dari sebuah motor stirling

perlu untuk diperhatikan.

Ketika udara dari silinder dingin menuju silinder panas, maka udara

tersebut harus mengalami proses pemanasan kembali dari awal, sebelum

kembali melakukan ekspansi untuk menghasilkan kerja. Begitu pula

sebaliknya, udara yang menuju ke silinder dingin, mengalami proses

pendinginan dari temperatur yang cukup tinggi sebelum mengalami kompresi.

Tetapi apabila hal tersebut dapat dilakukan dengan awalan, dalam artian

udara yang menuju ke silinder panas mengalami pre-heating dan udara yang

menuju silnder dingin mengalami pre-cooling, maka efisiensi dari motor

dapat meningkat. Hal-hal tersebut dapat dilakukan dengan menggunakan

regenerator.

Pada motor stirling tipe – α, regenerator dapat direalisasikan sebagai

sebuah pipa diantara silinder panas dan silinder dingin dan di dalamnya

terdapat wire mesh.

Page 39: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 25

Anggit Yuliartono M | 2010

Gambar 2.10 Ilustrasi Sebuah Regenerator

Ketika udara dari silinder panas mengalir melewati regenerator, maka

udara tersebut akan menyimpan panas di wire mesh tersebut. Tetapi udara

tidak akan menjadi dingin seperti yang diinginkan, tetapi setidaknya ada

energi kalor yang disimpan di wire mesh tersebut.

Pada saat udara berbalik menuju silinder panas, kare terdorong oleh

piston di silinder dingin (pada stirling tipe - α), udara yang telah mengalami

proses pendinginan, mengambil energi kalor yang tadi tersimpan di wire mesh

agar terjadi pre-heating.

Dari penjelasan tadi, maka dapat diambil kesimpulan maka kalor yang

dihantarkan dari sumber kalor tidak perlu sebanyak kalor yang dihantarkan

ketika pemanasan pertama kali. Maka efisiensi mesin akan bisa bertambah.4

Jadi, perlu dipilih material untuk pengisi regenerator ini yaitu berupa

wire-mesh dengan material yang mempunyai thermal capacitance yang

cukup besar.

4Fette, Peter . How Does Stirling Engine Work. diakses 9 Februari 2009 dari http://www.stirling-fette.de/howdoes.htm#A0#A0

Page 40: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 26

Anggit Yuliartono M | 2010

2.5. Jenis Motor Stirling

2.5.1. Berdasarkan penggunaannya, mesin Stirling kemudian berkembang

menjadi beberapa jenis , antara lain :

1. Crank-drive Stirling Engine. Mesin jenis ini pembuatan dan operasinya

mudah, tidak menggunakan pelumas (oli) pada crankcase nya. Untuk

mencegah masuknya oli ke ruang engkol, digunakan jenis bantalan :

sealed roller bearings, ball bearings atau bushing dari bahan teflon yang

tidak dilubrikasi. Daya (energi) diperoleh dari gerakan maju-mundurnya

piston (system linier). Untuk operasinya diperlukan bahan bakar.

2. Simple Free-Piston Engine. Bekerja dengan udara atmosfir sebagai bahan

bakar kerjanya, dan putarannya sangat rendah. Kelebihan jenis mesin ini

adalah daya angkat dan efisiensinya sangat tinggi . Digunakan biasanya

untuk pompa (displacement pump). Mesin dengan displacer berdiameter

60 cm, dengan putaran 1 rotasi per detik (cycle per second), mampu

menghasilkan daya sekitar 500 watt (50 liter-meter/sec)

3. Free-Cylinder Engine. Mesin jenis resiprokal (berputar), antara lain

untuk pompa .

4. Duplex Stirling Engine, untuk mesin freezer penyimpan bahan makanan

yang portable.

5. Free-Piston Alternator Engine. Digunakan antara lain dalam

pengembangan mesin Stirling pembangkit listrik yang digerakkan dengan

bantuan panas surya (matahari). Kapasitas daya sampai 20 kw. Dalam

beberapa tahun ke depan diharapkan akan lebih besar lagi kapasitasnya.

Page 41: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 27

Anggit Yuliartono M | 2010

2.5.2. Berdasarkan konfigurasi mekaniknya, motor Stirling terbagi menjadi 3

jenis, yaitu:

1. Motor Stirling tipe alpha (α)

Stirling tipe alpha ini mempunyai dua silinder terpisah yang

terhubung secara seri dan di antaranya terdapat regenerator yang

berfungsi menaikkan efisiensi. Silinder disebut silinder panas atau

“hot cylinder” dan yang lainnya disebut silinder dingin atau “cold

cylinder”. Motor stirling tipe ini merupakan motor stirling modern.

Gambar 2.11 Susunan Motor Stirling tipe alpha

Gambar 2.12 Skema Motor Stirling tipe alpha4

2. Motor Stirling tipe beta (β)

Motor stirling dengan tipe ini merupakan tipe klasik dan cukup

poluler bersama dengan konfigurasi gamma. Motor yang dibuat oleh

Robert Stirling pada tahun 1816 menunjukkan bahwa motor tersebut

menggunakan konfigurasi beta. Baik motor stirling tipe beta dan gam-

ma menggunakan displacer.

4Fette, Peter . How Does Stirling Engine Work.. diakses 9 Februari 2009 dari http://www.stirling-fette.de/howdoes.htm#A0#A0

Page 42: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 28

Anggit Yuliartono M | 2010

Hanya bedanya tipe beta, displacer dan power piston berada dalam

satu silinder yang sama, sedangkan gamma terpisah.

Gambar 2.13 Susunan Motor Stirling tipe beta

Gambar 2.14 Skema Motor Stirling tipe beta

3. Motor Stirling tipe gamma (γ)

Motor stirling tipe ini bisa disebut juga penyederhanaan motor

stirling tipe beta dimana displacer dan power piston berada di siinder

yang berbeda, tetapi masih terhubung dengan flywheel yang sama.

Fluida kerja-nya dapat dengan bebas bergerak di antara kedua silinder

tersebut.

Gambar 2.15 susunan Motor Stirling tipe gamma

heater cooler

Page 43: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 29

Anggit Yuliartono M | 2010

Gambar 2.16 Skema Motor Stirling tipe gamma

2.6. Karakteristik Motor Stirling

2.6.1. Beberapa Keuntungan Dari Motor Stirling.

• Frekuensinya relatif lebih stabil/ konstan.

• Mesin Stirling dapat bekerja dengan sumber energi panas yang

bervariasi, termasuk bahan kimia, sinar surya (solar), limbah pertanian

(sekam, tempurung kelap), kayu bakar, berbagai produk minyak bakar

(biomassa, biofuel), panas bumi dan nuklir.

• Perbedaan yang mencolok dengan mesin pembakaran internal adalah

potensi untuk menggunakan sumber panas terbarukan pada mesin

Stirling lebih mudah, suara mesin lebih lembut (tenang), tidak berisik /

bising dan biaya perawatannya lebih rendah.

• Biaya kapital per unit daya ($/kW) dapat ditekan lebih rendah.

Dibandingkan dengan mesin pembakaran internal untuk daya yang

sama, maka biaya investasi mesin Stirling untuk saat ini umumya

masih lebih besar dan lebih berat, namun perawatannya jauh lebih

mudah dan ekonomis. Sehingga secara menyeluruh biaya energinya

masih dapat bersaing ketat. Efisiensi panasnya juga berimbang (untuk

mesin-mesin yang kecil) berkisar antara 15% - 30%. Dengan basis

Page 44: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 30

Anggit Yuliartono M | 2010

biaya investasi per unit daya di atas, untuk unit generator dengan

kapasitas s/d 100 kW , Mesin Stirling masih kompetitif harganya.

• Efisiensi teoritik yang cukup tinggi.

2.6.2. Beberapa Kelemahan Dari Motor Stirling.

• Harga yang cukup mahal karena motor stirling ini masih jarang di-

produksi secara massal. Selain itu, harga yang mahal ini juga

dipengaruhi karena untuk perancangan, produksi dan perakitan serta

maintenance, memerlukan tenaga ahli, sehingga ongkos-nya juga akan

mahal.

• Tingginya dimensi per output unit, artinya jika dibandingkan dengan

internal combustion engine, untuk menghasilkan daya yang sama,

motor stirling membutuhkan dimensi yang lebih besar.

2.7. Pendekatan Termodinamika Motor stirling

Dalam proses pembuatan sebuah prototype motor stirling, dibutuhkan

proses perancangan. Proses perancangan tersebut meliputi proses perhitungan

termodinamika yang nantinya dijadikan sebagai acuan dalam perancangan

elemen mesin, pemilihan bahan dan penentuan dimensi dari prototype motor

stirling tersebut. Salah satu teori yang biasa dipergunakan sebagai pendekatan

model termodinamika motor stirling adalah teori Schmidt. Banyak

pengembangan mengenai teori Schmidt, diantranya pengembangan yang

Page 45: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 31

Anggit Yuliartono M | 2010

dilakukan oleh Urieli, seorang ilmuwan asal Israel. Teori Schmidt yang

dipergunakan dalam penelitian ini merupakan teori Schmidt yang

dipublikasikan oleh Koichi Hirata, seorang ilmuwan asal Jepang. Teori

Schmidt (Schmidt Theory) adalah salah satu metode perhitungan isothermal

untuk mesin stirling. Teori ini merupakan teori yang paling sederhana dan

sangat berguna untuk pengembangan mesin stirling. Teori ini berdasarkan

pada ekspansi isothermal dan kompresi dari gas ideal6. (Hirata, 1995)

2.7.1. Asumsi-asumsi pada teori Schmidt

Performasi dari mesin dapat dikalkulasi dari diagram P-V. Volume dari mesin

juga dapat dengan mudah dihitung dari geometri internalnya. Jika volume,

massa dari fluida kerja sudah dapat ditentukan, maka tekanan dapat dihitung

menggunakan metode gas ideal seperti pada persamaan di bawah ini.

(2.11)

Parameter-parameter motor stirling dapat dihitung dengan menggunakan

asumsi-asumsi sebagai berikut :

(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.

6Hirata, Koichi . Bekkoame Home Page, Schmidt theory for Stirling engines . Stirling engine home page [online]. diakses tanggal 28 Juli 2009. dari : http://www.bekkoame.ne.jp/_khirata.

Page 46: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 32

Anggit Yuliartono M | 2010

(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 temperatur ekspansi - TE

dan temperatur kompresi - TC.

(g) Volume ekspansi (VE) dan volume kompresi (VC) berubah berdasarkan

fungsi sinusioda.

Gambar 2.17 Volume sebagai fungsi sinusoidal

Page 47: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 33

Anggit Yuliartono M | 2010

Tabel berikut ini menunjukkan simbol-simbol yang digunakan pada proses

perancangan motor stirling.

Tabel 2.1 Simbol-simbol yang digunakan

Page 48: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 34

Anggit Yuliartono M | 2010

2.7.2. Persamaan-persamaan yang digunakan pada perancangan Mesin Stirling

Tipe Alpha (α) menurut teori Schimdt

Gambar 2.18. Mesin Stirling tipe Alpha

Volume dari silinder ekspansi dan silinder kompresi pada sudut engkol

tertentu dihitung pertama. Volume sesaat dideskripsikan dengan sudut engkol -

x. sudut engkol didefinisikan sebagai x=0 ketika piston ekspansi (piston pada

silinder panas) ada pada posisi TMA.

Volume ekspansi sesaat - VE dinyatakan pada persamaan (2) dengan asumsi (g).

(2.12)

Volume kompresi sesaat - VC dapat dihitung dengan persamaan (2.13) dan sudut

fase - dx.

(2.13)

(a) (b)

(c)

Page 49: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 35

Anggit Yuliartono M | 2010

Volume total sesaat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.14).

V= VE + VC +VR (2.14)

Dengan menggunakan asumsi (a), (b) dan (c), massa fluida kerja total dalam

mesin engine - m dihitung dengan menggunakan tekanan mesin - P, temperatur

masing-masing - T , volume masing-masing - V dan konstanta gas - R.

(2.15)

Rasio temperatur - t, rasio volume langkah - v dan rasio volume sisa dapat

dihitung dengan persamaan di bawah ini.

(2.16)

(2.17)

(2.18)

(2.19)

(2.20)

Temperatur regenerator - TR dihitung dengan menggunakan persamaan (2.21),

dengan manggunakan asumsi (f).

(2.21)

Page 50: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 36

Anggit Yuliartono M | 2010

Jika persamaan (2.15) diubah dengan menggunakan persamaan (2.16)-(2.20),

massa fluida kerja total - m diberikan pada persamaan berikut. Dimana massa

fluida kerja menjadi fungsi sudut engkol.

(2.22)

dimana;

(2.23)

(2.24)

(2.25)

Tekanan mesin - P diberikan pada persamaan berikut dengan menggunakan

persamaan (2.26)

(2.26)

Tekanan rata-rata - Pmean dapat dihitung dengan menggunakan persamaan

berikut:

(2.27)

Dimana c.

(2.28)

Page 51: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 37

Anggit Yuliartono M | 2010

Maka, tekanan mesin - P, berdasarkan tekanan rata-rata - Pmean dapat dihitung

dengan menggunakan persamaan(19).

(2.29)

Di lain hal, kasus pada persamaan (16), ketika nilai cos(x-a)=-1, tekanan mesin -

P menjadi tekanan minimum - Pmin.

(2.30)

Berdasarkan itu, tekanan mesin - P, mengacu pada tekanan minimum - Pmin

dinyatakan pada persamaan(2.31).

(2.31)

Jika nilai cos(x-a)=1, tekanan mesin - P menjadi tekanan maksimum - Pmax.

(2.32)

Diagram P-V dari motor stirling tipe alpha dapat dibuat dari persamaan-

persamaan diatas.

Energi Indikator, Daya dan Efisiensi

Energi indikator (luas area dari diagram P-V) dapat dihitung sebagai solusi

analitik dengan menggunakan koefisien-koefisien diatas. Energi indikator pada

daerah ekspansi (indicated expansion energy) - WE(J), berdasarkan pada tekanan

rata-rata - Pmean, tekanan minimum- Pmin dan tekanan maksimum- Pmax diberikan

pada persamaan di bawah ini.

Page 52: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 38

Anggit Yuliartono M | 2010

……(2.33)

Energi indikator pada daerah kompresi (indicated compression energy) - WC(J)

diberikan pada persamaan di bawah ini.

…….(2.34)

Energi indikator per siklus pada mesin ini - Wi(J) dinyatakan pada persamaan di

bawah ini.

… (2.35)

Hubungan antara Pmean, Pmin and Pmax diberikan pada persamaan di bawah ini.

(2.36)

(2.37)

Page 53: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 39

Anggit Yuliartono M | 2010

Daya indikator ekspansi - LE(W), daya indikator kompresi - LC(W) dan daya

indikator mesin ini - Li(W) diberikan melalui persamaan di bawah ini,

menggunakan kecepatan putar mesin per detik, n(rps).

(2.38)

(2.39)

(2.40)

Kemudian, efisiensi thermal dari mesin - e dapat dihitung menggunakan

persamaan di bawah ini.

(2.41)

2.8. Perencanaan Sirip

Temperatur di dalam silinder untuk sebuah motor stirling, dapat

mencapai 800oC. Selain karena temperatur udara yang tinggi, permukaan

silinder juga menjadi panas karena adanya gesekan antara cincin piston

dengan permukaan dalam dinding silinder. Apalagi temperatur di dalam

silinder dingin motor stirling, harus dijaga tetap dingin. Karena itu bagian

dinding luar silinder dingin pada motor stirling perlu mendapat pendinginan

yang cukup agar temperaturnya tetap rendah.

Proses pendinginan memerlukan fluida pendingin yang dialirkan ke

bagian mesin di luar silinder. Berdasarkan fluida pendinginnya, motor bakar

dapat dibedakan antara motor bakar dengan pendinginan air dan motor bakar

dengan pendinginan udara.

Page 54: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 40

Anggit Yuliartono M | 2010

Dalam perancangan motor stirling ini, fluida pendinginnya adalah

udara yang mengalir melalui sirip-sirip yang berada di luar silinder.

Konstruksi dan jumlah sirip pendingin bergantung pada laju perpindahan

kalor yang diinginkan, yaitu kecepatan perpindahan kalor dari dinding

silinder kepada udara atmosfir sebagai udara pendingin.

Untuk menghitung kalor yang dilepaskan oleh sirip, maka digunakan

persamaan:

)(` 43 TTxxUAQ o −= (2.42)

dimana:

Ao = Luas permukaan dinding luar silinder (m2)

T3 = Temperatur permukaan silinder rata-rata (oC)

T4 = Temperatur udara pendingin (oC)

U` = Koefisien Perpindahan Kalor Universal (W/m2 K)

Untuk menghitung koefisien perpindahan kalor universal, maka

digunakan persamaan:

( )[ ]

++

++

= sbwar

wx

ax

bs

hU 5tanh

21

2` 2 (2.43)

dimana :

b = Tebal sirip (m)

s = Jarak antar sirip (m)

r = Jari-jari luar silinder (m)

w = Lebar sirip (m)

h2 = koefisien film (W/m2 K)

Page 55: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 41

Anggit Yuliartono M | 2010

faktor a dapat dihitung dengan persamaan

bk

ha

×= 22

(2.44)

dimana :

k = konduktifitas termal bahan (W/m K)

2.9. Material Untuk Silinder Panas dan Dingin

Syarat umum yang harus dipenuhi oleh elemen/komponen/peralatan

mesin adalah fungsi utamanya harus dapat dipenuhi, kemudian harus cukup

kuat atau cukup kaku terhadap pembebanan yang diberikan. Selain itu faktor

ketahanan terhadap lingkungan harus disesuaikan. Faktor lain yang tidak

kalah pentingnya adalah harga dari material yang akan digunakan, ongkos

pengerjaan, dan pemeliharaan, serta ketersediaan bahan itu sendiri.

Material untuk silinder pada motor stirling harus memenuhi beberapa

kriteria agar kinerja sebuah motor stirling dapat optimal. Berikut ini beberapa

kriteria yang perlu diperhatikan dalam memilih material untuk silinder panas,

silinder dingin dan regenerator pada sebuah motor stirling.

Silinder Panas (Hot Cylinder) :

- Kuat. Stirling yang mempunyai high performance biasanya mempunyai

tekanan sampai 20 MPa, sifat ini harus bisa dicapai juga pada temperatur

tinggi (600oC- 900oC).

- Tahan panas

- Thermal expansion (tingkat muai bahan) kecil.

- Thermal conduction besar. Bisa menjalarkan panas secara cepat

Page 56: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 42

Anggit Yuliartono M | 2010

Tabung Regenerator :

- kuat, terhadap tekanan yang tinggi.

- Thermal Capacity besar (mampu menyimpan panas)

- Thermal conduction kecil. Tidak menjalarkan panas (atau sedikit saja

menjalarkan panas), harus menahan panas dari hot cylinder agar tidak

terkonduksi ke cold cylinder

Slinder Dingin (Cold cylinder) :

- Kuat. Stirling yang mempunyai high performance biasanya mempunyai

tekanan sampai 20 MPa.

- Thermal expansion yang kecil

- Heat Conduction sangat besar, agar panas cepat dibuang ke luar (ke udara

atau ke cairan pendingin)

- Tahan panas.

Page 57: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

BAB III

PERANCANGAN TERMODINAMIKA

3.1. Kondisi Termodinamika Yang Digunakan Dalam Perancangan

Proses perancangan motor stirling ini, tidak berdasarkan daya output

yang harus dihasilkan, melainkan mencoba mengestimasi berapa daya yang

dihasilkan dengan kondisi-kondisi termodinamika yang dapat dicapai.

Kondisi termodinamika tersebut adalah:

a) Temperatur udara dalam silinder panas (TE), yaitu TE = 350oC = 623 K.

Pada awalnya temperatur tersebut direncanakan dicapai dengan

menggunakan kalor dari radiasi matahari yang difokuskan dengan

menggunakan parabolic mirror. Tetapi temperatur yang dicapai oleh

parabolic mirror tidak mencapai yang diinginkan, maka temperatur ini

dicapai dengan menggunakan burner dengan bahan kerosene.

b) Temperatur udara dalam silinder Dingin (TC), yaitu TC = 50 oC = 313 K.

Pendinginan yang dilakukan untuk mencapai temperatur ini adalah

menggunakan sirip pada silinder dingin, dengan sistem pendinginan udara.

c) Fluida kerja yang digunakan adalah udara dengan konstanta gas

individualnya adalah 286 J/(Kg.K)

d) Sudut antara silinder ekspansi(hot cylinder) dan silinder kompresi (cold

cylinder) (dx) = 90o, yang juga merupakan sudut fasa dari motor stirling

yang dirancang.

Page 58: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 44

Anggit Yuliartono M | 2010

e) Volume pada silinder kompresi/silinder dingin (VC) dan silinder

ekspansi/slinder panas (VDE) adalah sama, besarnya = 110 cm3 = 1,1 × 10-4

m3. Keadaan tersebut dicapai dengan menggunakan komponen motor

Yamaha Jupiter-Z, dengan spesifikasi:

• Diameter piston (D) = 51 mm = 0,051 m

• Panjang langkah/Stroke (S) = 54 mm = 0,054 m

f) Volume sisa pada keadaan piston kompresi (VDC) dan ekspansi (VDE)

adalah sama, besarnya = 13 cm3 = 1,3 × 10-5 m3.

g) Volume regenerator adalah 80 cc = 8 x 10-5 m3, yang dicapai dengan

bentuk silinder yang mempunyai dimensi D = 40 mm dan P = 70 mm.

(a) (b)

Gambar 3.1 Skema Mesin Stirling Tipe Alpha (a) dan (b), dengan konvigurasi V (a)

Qin

Qout

Page 59: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 45

Anggit Yuliartono M | 2010

Untuk menghitung parameter-parameter dalam perancangan

termodinamika motor stirling ini, digunakan pendekatan termodinamika

dengan teori Schmidt yang dipublikasikan oleh Koichi Hirata di halaman

website http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/academic/schmidt/schmidt.htm.

Untuk melakukan penghitungan-penghitungan tersebut, perlu dilakukan

asumsi, seperti yang dikemukakan pada bab sebelumnya. Asumsi-asumsi

tersebut adalah sebagai berikut:

(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 temperatur ekspansi - TE

dan temperatur kompresi - TC.

(g) Volume ekspansi (VE) dan volume kompresi (VC) berubah berdasarkan

fungsi sinusioda.

Page 60: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 46

Anggit Yuliartono M | 2010

3.2. Parameter Berdasarkan Kondisi Termodinamika

Berdasarkan kondisi-kondisi termodinamika yang dituliskan di sub-

bab sebelumnya, dapat ditentukan parameter-parameter yang nantinya

digunakan dalam proses perhitungan selanjutnya pada proses perancangan

termodinamika motor stirling ini. Parameter-parameter tersebut adalah:

• Volume langkah pada piston kompresi (VSC) dan ekspansi (VSE) :

� ��� � �� � � � � � �� � � 0,051 � � 0,054 � � 1,103 � 10�� ��

� ��� � ���

• Rasio kompresi (r) :

� DE

DESC

V

VVr

+= 35

3534

1026,1

1026,110103,1

m

mm−

−−

××+×= � 9,68

• Temperatur regenerator (TR) :

� �� � ����� � ����� � 543 !

• Rasio temperatur (t) :

� 52,0623

313 ===K

K

T

Tt

E

C

• Rasio volume langkah (v) :

� SE

SC

V

Vv = =

1,103�10-4 m31,103�10-4 m3 �1

• Rasio volume sisa pada silinder dingin (XDC) :

� XDC=VDC

VSE=1,3×10

-5 m3

1,103×10-4 m3=0,118

Page 61: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 47

Anggit Yuliartono M | 2010

• Rasio volume sisa pada silinder panas (XDE) :

� XDE=VDE

VSE=

1,3�10-5 m31,103�10-4 m3 =0,118

• Rasio volume sisa pada regenerator (XR) :

� XR� VRVSE � 2,5 � 10-5 m31,103�10-4 m3 �0,227

3.3. Massa Udara Yang Diperlukan Sebagai Fluida kerja

Massa udara total (m) yang dimasukkan pada mesin adalah pada saat

temperatur kamar dan tekanan lingkungan (atmosfir). Di bawah ini asumsi

dari nilai temperatur kamar dan tekanan udara yang terjadi :

Temperatur kamar (Tkamar) = 25o C = 302 K

Tekanan udara (Pudara) = 1 atm = 101,325 KPa = 1,01325 × 105 Pa

dengan menggunakan persamaan gas ideal :

+� � �,�

maka,

� � +�,�

dimana volume (V) dihitung dengan menggunakan persamaan (2.14):

� � �� - �� - ��

Untuk menghitung massa total, maka posisi volume harus ada dalam

posisi maksimum. Posisi volume maksimum ada pada kedudukan sudut

engkol (crank angle) 220o (lihat tabel perhitungan untuk membuat diagram

P-V)

Page 62: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 48

Anggit Yuliartono M | 2010

Volume silinder panas pada kedudukan sudut crank 220o (VE) sesuai dengan

persamaan 2.12:

�� � ���2 .1 / cos 34 - �5�

� 1,103 � 10�� ��2 .1 / cos 220°4 - 1,22 � 10�7 ��

�� � 1,09 � 10�� ��

Volume silinder dingin pada kedudukan sudut crank 220o (VC) sesuai dengan

persamaan 2.13:

�� � ���2 .1 / cos.3 / 8344 - �5�

� 1,103 � 10�� ��2 .1 / cos.220° / 90°44 - 1,22 � 10�7 ��

�� � 1,029 � 10�� ��

Volume regenerator (VR) :

Volume regenerator ditentukan : 88 cc = 8,8 x 10-5 m3 , Sehingga

� � 1,09 � 10�7 �� - 1,029 � 10�7 �� - 8,8 x 10�7 ��

� � 0,0003005 ��

jadi

� � 1,01325 � 107 +: � 0,0003005 ��286 ;.!<. !4 � 302 !

� 101325 >� � 0,000239 ��286 >�.!<. !4 � 302 !

� � 0,000352 !<

Page 63: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 49

Anggit Yuliartono M | 2010

3.4. Tekanan rata-rata (Pmean)

Parameter tekanan rata-rata ini diperlukan untuk selanjutnya dalam

penghitungan tekanan ekstrim pada proses perancangan motor stirling ini.

Persamaan untuk menghitung tekanan rata-rata sesuai dengan persamaan

2.27.

+?@AB � 2�,�����√� / D

dimana nilai koefisien a, S dan B sesuai dengan persamaan 2.23, 2.24 dan

2.25 adalah sebagai berikut :

� : � E:F�� G HIJ KLM�NOH KL�� � E:F�� � HIJ PQ°Q,�Q��NOH PQ°�� � 67,60° � S � t - 2tS5� - �TU��M - V - 2S5�

� 0,404 - .2 � 0,404 � 0,1184 - 4 � 0,2271 - 0,404 - 1 - .2 � 0,1184 � � 2,94

� D � √E - 2EV cos 83 - V

� W0,404 - .2 � 0,404 � 1 � cos 90°4 - 1

D � 1,13

maka,

� +?@AB � �Q,QQQ�PXY�Z[ \.]^.]4���� X�,�Q���Q_` ?aW�,PPb��,Q b

+?@AB � 217687,2 >� � 217687,2 +:

Page 64: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 50

Anggit Yuliartono M | 2010

3.5. Tekanan Ekstrim Siklus

Dalam proses perancangan perlu diketahui juga tekanan ekstrim

(tekanan maksimum dan minimum) yang terjadi pada siklus stirling yang

dimanfaatkan di motor stirling ini. Tekanan ekstrim berguna untuk

merancang komponen/elemen mesin yang berkaitan dengan silinder motor

stirling agar tidak terjadi kegagalan pada saat operasi-nya.

Untuk menghitung tekanan maksimum dan minimum, perlu dihitung

koefisien c dengan menggunakan persamaan 2.28. Dimana nilai koefisien c

adalah sebagai berikut :

c � D� � 1,132,91 � 0,38

3.5.1. Tekanan Maksimum (Pmax)

Setelah didapatkan koefisien c, kemudian dapat dihitung tekanan

maksimum (Pmax) berdasarkan hubungannya dengan tekanan rata-rata (Pmean)

dengan menggunakan persamaan di bawah ini:

+?AL+?@AB � d1 - c1 / c

maka,

+?AL � d1 - 0,381 / 0,38 � 217687,2 +: � 325510,65 +:

Dimana tekanan ini terjadi pada sudut engkol 60o (lihat tabel

perhitungan untuk membuat diagram P-V)

Page 65: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 51

Anggit Yuliartono M | 2010

3.5.2. Tekanan Minimum (Pmin)

Sedangkan tekanan minimum, juga dapat dihitung berdasarkan

hubungannya dengan tekanan rata-rata (Pmean) dengan menggunakan

persamaan di bawah ini:

+?eB+?@AB � d1 / c1 - c

maka

+?eB � d1 - 0,381 / 0,38 � 217687,2 +: � 148528,84 +:

Dimana tekanan ini terjadi pada sudut engkol 240o (lihat tabel

perhitungan untuk membuat diagram P-V)

3.6. Kerja indikator yang dihasilkan dalam satu siklus (Wi)

Kerja per siklus merupakan selisih kalor masuk dan kalor keluar atau

hasil penjumlahan kerja ekspansi dan kerja kompresi, seperti pada persamaan

2.35 :

Wi = WE + WC

dimana nilai Wc dan WE akan sama dengan jumlah kalornya7 jadi QC = WC,

begitu juga WE = QE

7Herzog, Zig . Schmidt theory for Stirling engines. diakses tanggal 28 Juli 2009. dari : http://mac6.ma.psu.edu/stirling/simulations/isothermal/schmidt.html.

Page 66: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 52

Anggit Yuliartono M | 2010

3.6.1. Kerja ekspansi (WE)

Kerja ekspansi adalah kerja yang dihasilkan pada proses 3-4 pada siklus

stirling ideal. Kerja ekspansi (WE) diperoleh dengan persamaan 2.33

f� � +?@AB. ��� . �. c. ghF :1 - √1 / c

� 217687,2 +: � 1,103 � 10�� �� � � � 0,38 � sin 67,9°1 - W1 / 0,38

f� � 13,31 ; 3.6.2. Kerja kompresi (WC)

Kerja kompresi adalah kerja yang diberikan pada proses 1-2 pada siklus

stirling ideal. Kerja kompresi (WC) diperoleh dengan persamaan 2.34. Tanda

negatif menunjukkan bahwa kerja mengarah ke dalam sistem yang berarti fluida

kerja dikenai kerja.

f� � / +?@AB����cE sin :1 - √1 / c

� / 217687,2 +: � 1,103 � 10�� �� � � � 0,38 � 0,52 � sin 67,9°1 - W1 / 0,38

f� � /6,9 ; 3.6.3. Kerja Indikator (WI)

Jadi kerja indikator per siklusnya, sesuai dengan persamaan 2.53 adalah

fe � 13,31 ; / 6,39 ; � 6,41 ;

Page 67: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 53

Anggit Yuliartono M | 2010

sehingga dapat diperoleh daya indikator, berdasarkan persamaan 2.39

dengan asumsi variasi putaran mesin 700 rpm – 1000 rpm. Berikut di bawah ini

daya indikator (Li) yang dihasilkan pada variasi putaran (n) :

Tabel 3.1 Daya indikator motor stirling berdasarkan variasi putaran

n(rpm) Li (Watt)

700 74,8

800 85,49

900 96,17

1000 106,86

3.7. Efisiensi Thermal Yang Dihasilkan (ηt)

Idealnya efisiensi thermal adalah perbandingan kerja yang dihasilkan

(WI) terhadap energi yang diberikan terhadap sistem. Tetapi kerja ekspansi

(WE) yang ditunjukkan pada persamaan 2.33 juga berarti kalor yang

dimasukkan ke dalam sistem7. Kemudian, kerja kompresi (WC) yang

ditunjukkan pada persamaan 2.34 bernilai sama dengan kalor yang dibuang

ke lingkungan. Maka efisiensi thermal – ηt dapat dihitung dengan

menggunakan persamaan 2.41

ηl � fef� � 6,41 ;13,31 ; � 0,4815

� 0,4815 � 100%

� 48,15%

dimana nilai efisiensi motor stirling ini sama dengan efisiensi Carnot.

7Herzog, Zig . Schmidt theory for Stirling engines. diakses tanggal 28 Juli 2009. dari : http://mac6.ma.psu.edu/stirling/simulations/isothermal/schmidt.html.

Page 68: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 54

Anggit Yuliartono M | 2010

3.8. Diagram P-V Hasil Perancangan Motor Stirling

Tabel 3.2 Perhitungan untuk membuat diagram P-V Sudut Engkol

Vh (m3) Vc (m

3) Vr (m3) Vtot (m

3) P(Pa)

0 0,0000123 0,0000674 0,0000880 0,0001676 244109,85

10 0,0000131 0,0000578 0,0000880 0,0001589 262009,58

20 0,0000156 0,0000485 0,0000880 0,0001521 279963,76

30 0,0000196 0,0000398 0,0000880 0,0001474 296765,59

40 0,0000252 0,0000320 0,0000880 0,0001451 310934,15

50 0,0000320 0,0000252 0,0000880 0,0001451 320933,25

60 0,0000398 0,0000196 0,0000880 0,0001474 325510,18

70 0,0000485 0,0000156 0,0000880 0,0001521 324043,05

80 0,0000578 0,0000131 0,0000880 0,0001589 316734,58

90 0,0000674 0,0000123 0,0000880 0,0001676 304547,44

100 0,0000770 0,0000131 0,0000880 0,0001781 288917,14

110 0,0000863 0,0000156 0,0000880 0,0001898 271389,71

120 0,0000950 0,0000196 0,0000880 0,0002026 253332,41

130 0,0001029 0,0000252 0,0000880 0,0002160 235784,89

140 0,0001097 0,0000320 0,0000880 0,0002296 219436,58

150 0,0001152 0,0000398 0,0000880 0,0002430 204679,11

160 0,0001192 0,0000485 0,0000880 0,0002558 191685,32

170 0,0001217 0,0000578 0,0000880 0,0002675 180485,09

180 0,0001226 0,0000674 0,0000880 0,0002779 171025,51

190 0,0001217 0,0000770 0,0000880 0,0002867 163213,53

200 0,0001192 0,0000863 0,0000880 0,0002935 156943,83

210 0,0001152 0,0000950 0,0000880 0,0002981 152115,91

220 0,0001097 0,0001029 0,0000880 0,0003005 148644,02

230 0,0001029 0,0001097 0,0000880 0,0003005 146462,54

240 0,0000950 0,0001152 0,0000880 0,0002981 145528,70

250 0,0000863 0,0001192 0,0000880 0,0002935 145823,88

260 0,0000770 0,0001217 0,0000880 0,0002867 147353,97

270 0,0000674 0,0001226 0,0000880 0,0002779 150149,32

280 0,0000578 0,0001217 0,0000880 0,0002675 154263,92

290 0,0000485 0,0001192 0,0000880 0,0002558 159773,52

300 0,0000398 0,0001152 0,0000880 0,0002430 166771,89

310 0,0000320 0,0001097 0,0000880 0,0002296 175363,43

320 0,0000252 0,0001029 0,0000880 0,0002160 185650,27

330 0,0000196 0,0000950 0,0000880 0,0002026 197710,48

340 0,0000156 0,0000863 0,0000880 0,0001898 211563,48

350 0,0000131 0,0000770 0,0000880 0,0001781 227119,25

360 0,0000123 0,0000674 0,0000880 0,0001676 244109,85

Page 69: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 55

Anggit Yuliartono M | 2010

Gambar 3.2 (a) Diagram P-V hasil perancangan

Gambar 3.2 (b) Diagram V vs Angle hasil perancangan

Gambar 3.2 (c) Diagram P vs Angle hasil perancangan

100000,00

150000,00

200000,00

250000,00

300000,00

350000,00

0,00010 0,00015 0,00020 0,00025 0,00030 0,00035

P (

Pa

)

V (m3)

Diagram P-V

0,0000000

0,0001000

0,0002000

0,0003000

0,0004000

0,00 90,00 180,00 270,00 360,00

V (

m3)

Angle

Diagram V Vs Angle

Vh

Vc

Vtot

0,00

100000,00

200000,00

300000,00

400000,00

0,00 100,00 200,00 300,00 400,00

P(P

a)

Angle

Diagram P Vs Angle

Page 70: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 56

Anggit Yuliartono M | 2010

3.9. Perhitungan Temperatur di Permukaan Silinder Panas

Untuk mencapai target temperatur di dalam silinder panas (Tin) yaitu

350oC, maka dilakukan perhitungan perpindahan panas agar diperoleh

temperatur permukaan (Ts) silinder panas.

Gambar 3.3 Distribusi temperatur di hot cylinder head

� Koefisien perpindahan panas konveksi di dalam silinder.

Asumsi yang digunakan untuk mencari koefisien perpindahan panas konveksi

(h) di dalam silinder:

• Konveksi yang terjadi di dalam silinder adalah konveksi bebas

• Keadaan sudah mencapai steady state.

• Td = 400 oC

Tin Ts

Tin

Td Ts

k h

t

Page 71: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 57

Anggit Yuliartono M | 2010

Berdasarkan asumsi-asumsi tersebut, dievaluasi sifat-sifat fluida pada

temperatur film (Tf) dengan menggunakan [tabel Incropera]:

3752

350400

2=+=

+= ind

f

TTT oC = 648 K

� β = 1,17 x 10-3 / K

� Massa jenis (ρ)

350400

350375

6329,05804,0

6329,0

−−=

−−ρ

� =ρ 0,6036 kg/m3

� Viskositas Dinamik (µ)

350400

350375

4,2888,305

4,288

−−=

−−µ

� =µ 298,84 . 10-7 N.s/m2

� Viskositas Kinematik (υ)

350400

350375

57,4569,52

57,45

−−=

−−υ

� =υ 49,84 . 10-6 m2/s

� Konduktifitas termal (k)

350400

350375

9,439,76

9,43

−−=

−−k

� k = 45,7 . 10-3 W/m K

� (α)

350400

350375

7,669,76

7,66

−−=

−−α

� α = 72,82 . 10-6 m2/s

� Bilangan Prandtl (Pr)

350400

350375

683,0685,0

683,0Pr

−−=

−−

� Pr = 0,6842

Page 72: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 58

Anggit Yuliartono M | 2010

Bilangan Rayleigh (Ra)

αυβ

.

)..(. 3LTTgRa s

L∞−

=

αυβ

.

).(.81,9 3LTTRa s

L∞−

=

αυβ

.

)..(.81,9 3LTTRa ind

L

−=

66

33

1032,72.1084,49

051,0).50.(1017,1.81,9−−

×××=LRa

7102,1 ×=LRa

Bilangan Nusselt (Nu)

33,0.15,0 LL RaNu =

33,07 )102,1.(15,0 ×=LNu

86,34=LNu

Koefisien perpindahan panas konveksi (h)

D

kNuh

.=

3

3

1051

107,45.06,34−

××=h

88,29=h KmW

.2

Page 73: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 59

Anggit Yuliartono M | 2010

Menghitung temperatur permukaan head silinder luar (Ts)

- Temperatur yang dirancang : Tin = 350 oC

- Temperatur yang diasumsikan : Td = 400 oC

- Bahan head silinder yang digunakan : Baja (Mild Steel), k = 30 W/m K

- Tebal head silinder : 8 mm = 0,008 m

kondall QQ =

dx

dTAk

Ak

t

Ah

T..

..

1=

+

t

TTAk

k

t

h

TTA dsinS )(

..1

)( −=+

t

TTk

k

t

h

TT dsinS )(.

1)( −=

+

008,0

)823(.140

30

008,0

88,29

1)623( −

=+

− sS TT

KTs 25,728= = 455,25 oC

Maka, temperatur yang harus dicapai di permukaan head silinder adalah

455,25oC dengan bahan head silinder adalah baja karbon rendah.

Tin

Td Ts

k h

t

Q

Page 74: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 60

Anggit Yuliartono M | 2010

3.10. Perhitungan Perpindahan Panas Melalui Sirip

Gas yang dipanaskan di dalam silinder motor stirling mencapai

temperatur 500 oC. Selain itu juga terjadi gesekan antara piston dan dinding

silinder yang pasti akan menimbulkan panas. Agar dapat beroperasi,

perbedaan temperatur antara silinder panas dan dilinder dingin pada

mesin/motor stiring harus dijaga konstan. Untuk menjaga temperatur di

silinder dingin agar tetap dingin, maka perlu mendapat pendinginan yang

cukup. Pada perancangan prototipe motor stirling ini, sistem pendinginan

yang dipakai adalah sistem pendinginan udara melalui sirip-sirip yang

menempel di luar dinding silnder.

Kalor yang dilepaskan dari dalam silinder sama dengan kerja

kompresi yang dilakukan pada proses 1-2 pada siklus stirling ideal. Kerja

kompresi (WC) diperoleh dengan persamaan 2.34. Tanda negatif

menunjukkan bahwa kerja mengarah ke dalam sistem yang berarti fluida

kerja dikenai kerja. Untuk (Q) tandanya berubah menjadi positif, karena arah

(Q) keluar sistem, jadi untuk (QC) bernilai positif

n� � f� � / +?@AB����cE sin :1 - √1 / c

� / 217687,2 +: � 1,103 � 10�� �� � � � 0,38 � 0,52 � sin 67,9°1 - W1 / 0,38

n� � 6,9 ;

Page 75: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 61

Anggit Yuliartono M | 2010

Dengan putaran 800 rpm maka kalor yang dibuang adalah :

QC = 6,9 J/siklus x 800 putaran/menit x 1 menit/60detik

= 92,04 J/detik = 92,04 Watt

= 314,33 Btu/h

Untuk menghitung koefisien perpindahan kalor konveksi, maka digunakan

persamaan yang dikemukakan oleh Nusselt, yaitu :

3 2max)160.( ec TPcbh +=

Dimana:

b = 0,0002 untuk low turbulent engine [MALEEV hal 238]

0,0004 untuk high turbulent engine [MALEEV hal 238]

P = Pmax = 325716,59 Pa = 472,412 psi

cmax = 1,26 m/s = 248 ft/min

Te = TH = 350 oC = 623 K = 1121,4 R

Maka,

3 2 4,1301.)1,123().03,248160.(0002,0 +=ch =220,45 Btu/ft2 h oF

Karena perpindahan kalor radiasi sangat kecil, maka dalam perhitungan ini

diabaikan, sehingga hm = hc

Page 76: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 62

Anggit Yuliartono M | 2010

Dimana :

hm = koefisien perpindahan kalor total [Btu/ft2 h oF]

Gambar 3.4 Konstruksi sirip dan distribusi temperatur pada sirip

k1 (Liner) = 320 Btu/ft2 h oF (cast Iron) [MALEEV tabel 21-1hal 377]

k2 (Blok Silinder) = 1200 Btu/ft2 h oF (aluminium) [MALEEV tabel 21-1hal

377]

L = 68 mm = 0,223 ft

L1 = 2 mm = 0,00656 ft

L2 = 2 mm = 0,00656 ft

b = 3 mm = 0,00984 ft

s = 3 mm =0,00984 ft

w = 12 mm = 0,04 ft

r1 = 25,5 mm = 0,083 ft

r2 = 27,5 mm = 0,09 ft

r3 = 29,5 mm = 0,096 ft

Aw1 = 2πr1L = 0,12 ft2

Aw2 = 2πr2L = 0,126 ft2

Aw3 = 2πr3L = 0,134 ft2

L1 L2 w

b

s

L

r1

r2

r3

T1

T3

T2

k1 k2

T∞

Tin

Page 77: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 63

Anggit Yuliartono M | 2010

Jadi, dari distribusi temperatur di atas dapat diuraikan sebagai berikut :

� Temperatur pada dinding silinder bagian dalam adalah

T1 = Tin -1. wc

out

Ah

Q= =−

12,0.45,220

29,11414,1121 1064,25 R

� Temperatur pada dinding silinder bagian luar adalah

T2 = Tw1 -2

1

.

.

wc

out

Ah

LQ= =

××−

126,0320

00656,029,114125,1064 995,81 R

� Temperatur pada dasar sirip adalah

T3 = Tw2 -3

2

.

.

wc

out

Ah

LQ= =

××−

134,01200

00656,029,114181,995 985,14 R

Untuk menghitung koefisien permukaan sirip, maka digunakan

persamaan 2.43 dari [MALEEV hal 396]

[ ]

++

+

+= sbwa

r

w

abs

hU ).5,0(tanh.

21

2'

3

Dimana :

dari [MALEEV grafik 21-21 hal 395] diperoleh :

kecepatan aliran udara pada 30 mph dan s = 0,16 in. Sehingga,

h = 7,2 Btu/ft2 h oF

Sedangkan harga faktor a dihitung dengan menggunakan persamaan 2.44 :

bk

ha

×=

2

2=

0098,01200

2,72

××

= 1,1

Page 78: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 64

Anggit Yuliartono M | 2010

Maka,

[ ]

++

+= 009,0)009,0.5,004,0(1,1tanh.096,0.2

04,01

1,1

2

019,0

2,7'U

= 27,54

Sehingga, luas sirip total yang dibutuhkan adalah :

)(' 3 uw

outu TTU

QA

−= =

)4,53614,1255(54,27

29,1141

−=0,05 ft2

Luas untuk satu buah sirip adalah :

As = 2 (x2 – πr32) + 4bx

= 2 (0,22 – π.0,0962) + 4 . 0,01 . 0,15 = 0,0064 ft2

Maka jumlah sirip yang dibutuhkan adalah :

0064,0

054,0=s

u

A

A= 8 buah

Jadi, jumlah sirip yang harus dibuat berjumlah 8 sirip, dengan bahan liner dari

besi cor (cast iron) dan bahan blok silinder dari aluminium.

Page 79: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 65

Anggit Yuliartono M | 2010

3.11. Perencanaan Regenerator

Seperti yang telah dijelaskan pada Bab II, sub bab regenerator.

Material pengisi regenerator haruslah material yang mempunyai thermal

capacitance yang besar, dengan konstruksi yang bersekat-sekat dan

mempunyai celah yang cukup kecil. Dalam tugas akhir ini perhitungan

mengenai heat treansfer yang terjadi di dalam regenerator secara matematis

mengenai efisiensi regenerator tidak dilakukan.

Berdasarkan penjelasan tersebut, maka material yang dipilih untuk

pengisi regenerator adalah steel-wool yang biasa dipergunakan untuk

mencuci piring. Steel-wool dipilih karena bentuknya mendekati wire mesh,

seperti yang dijelaskan pada Bab II dan juga harganya cukup terjangkau.

Selain itu, bahan steel wool, yaitu sabut stainless mempunyai thermal

capacitance yang cukup besar.

Page 80: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

BAB IV

PENGUJIAN MOTOR STIRLING

4.1. Prosedur Pengujian

Setelah komponen-komponen motor stirling selesai di produksi dan

dirakit, maka dilakukan pengujian yang bertujuan untuk mengetahui apakah

motor stirling dapat beroperasi atau tidak, jika sudah dapat beroperasi, maka

selanjutnya dilakukan pengujian untuk mengetahui performansi dari motor

stirling yang telah dibuat tersebut.

Sebelumnnya telah dilakukan pengujian pada parabolic mirror yang

digunakan sebagai heat source untuk mesin stirling ini, tetapi setelah

dilakukan percobaan beberapa kali, temperatur hasil pengkonsentrasian sinar

matahari dengan parabolic mirror ini tidak mencapai temperatur

perancangan. Sehingga akhirnya dipilih kembali burner dengan bahan bakar

kerosene.

4.1.1. Prosedur untuk melakukan pengujian

a) Sebelum melakukan pengujian terlebih dahulu burner dipanaskan, karena

motor stirling bekerja dengan pembakaran luar, dalam hal ini burner

yang digunakan adalah burner dengan bahan bakar kerosene dan burner

dengan bahan bakar LPG.

b) Setelah burner sudah menyemburkan api, maka api disemburkan ke

bagian extension cyilinder yang menempel pada head silinder panas.

c) Prosedur selanjutnya adalah memberi putaran awal pada flywheel.

Page 81: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 67

Anggit Yuliartono M | 2010

d) Setelah motor berputar, dilakukan pencatatan parameter yang dibutuhkan

untuk analisis performasinya yaitu, temperatur udara dalam silinder

panas (Th), temperatur udara dalam silinder dingin (TC) dan tekanan

motor stirling (P).

e) Kemudian dilakukan pengukuran putaran mesin dengan menggunakan

tachometer.

f) Pembebanan pada motor dilakukan dengan menggunakan torsimeter agar

dapat mengetahui torsi yang dihasilkan mesin pada variasi temperatur

udara dalam silnder panas (Th)

Pengujian awal dilakukan dengan konfigurasi seperti yang terlihat

pada Gambar 4.1. Pengujian awal dilakukan dengan cara membakar bagian

head silinder pada silinder panas dengan menggunakan burner bahan bakar

LPG dan pada silinder dingin hanya mengandalkan pendinginan melalui sirip

saja. Pengujian pada tahap ini dilakukan tanpa adanya modifikasi apapun

pada motor. Detail dari keseluruhan pengujian dijelaskan pada sub-bab

selanjutnya.

(a) (b)

Gambar 4.1 konfigurasi motor stirling (a) dan burner LPG(b)

Page 82: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 68

Anggit Yuliartono M | 2010

4.1.2. Pengamatan Pada Pengujian

Setelah melakukan pembakaran selama sekitar 1 jam pada head

silinder panas, dengan temperatur yang diperkirakan mencapai 400oC pada

permukaan head silinder panas, motor stirling sama sekali tidak menunjukkan

tanda-tanda akan bergerak. Setelah diamati lebih lanjut, ternyata sambungan-

sambungan pada silinder dingin, dan regenerator nampak bocor, kemudian

lem plastic steel yang digunakan untuk mencegah kebocoran pada head

silinder panas dan napple terbakar habis, sehingga terjadi kebocoran.

Setelah pengujian awal mengalami kegagalan total, maka segera

dipikirkan beberapa masalah yang harus dicari solusinya, antara lain:

1) Perlu ditambah sedikit volume pada head silinder panas agar udara

terpanaskan terlebih dahulu dan sebagai dudukan napple agar tidak

terbakar secara langsung.

2) Memperbaiki sambungan-sambungan napple antara head silinder dingin

dan napple penghubungnya dan juga memperbaiki sambungan napple di

regenerator.

gambar 4.2 kebocoran yang terjadi

terjadi kebocoran pada bagian ini

Page 83: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 69

Anggit Yuliartono M | 2010

4.1.3. Langkah Pemecahan

Pengujian awal memberikan informasi yang sangat berguna mengenai

kondisi yang tidak diinginkan pada motor stirling ini. Solusi dari

permasalahan pada sub-bab sebelumnya dijadikan dasar pemikiran pada

modifikasi selanjutnya. Modifikasi yang dilakukan selanjutnya antara lain

menambah extension cylinder, memperbaiki sambungan napple, dan

memperbesar dimensi flywheel, yang akan dijelaskan pada sub-bab setelah

ini.

4.2. Modifikasi yang dilakukan

Setelah masalah pada pengujian pertama diidentifikasi, maka

dilakukan perbaikan rancangan dengan cara melakukan modifikasi seperti

yang dipikirkan sebelumnya. Proses pengujian stirling ini memerlukan

banyak iterasi agar dapat melihat perbaikan ke arah yang lebih baik pada

setiap pengujiannya..

4.2.1. Penambahan Extension Cylinder

Penambahan ini bertujuan untuk menambah volume udara yang

dipanaskan di atas head silinder dan sebagai dudukan napple yang

menghubungkan antara head silinder panas dan regenerator, agar sambungan

napple tidak terbakar secara langsung.

Page 84: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 70

Anggit Yuliartono M | 2010

Gambar 4.3 penambahan extension cylinder

4.3. Pengujian dan Permasalahan

Sub-bab ini menggambarkan serangkaian pengujian yang dilakukan

pada pertengahan bulan Desember 2009 sampai awal Januari 2010.

Berdasarkan hasil dari beberapa kali pengujian ini, diambil beberapa pokok

permasalahan dan rencana pemecahannya dari masalah-masalah yang

ditemui.

4.3.1. Pengujian dan Prosedur Penentuan Masalah

Pengujian pertama motor Stirling dimulai pada tanggal 14 Desember

2009, hasil dari pengujian ini sama sekali gagal, sebagaimana yang telah

disebutkan pada sub-bab sebelumnya. Setelah kegagalan pertama, terus

dilakukan pengujian hingga beberapa hari berikutnya untuk mengidentifikasi

extension cylinder

Page 85: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 71

Anggit Yuliartono M | 2010

masalah untuk mendiagnosa mengapa motor tidak dapat beroperasi. Setelah

dilakukan beberapa kali pengujian tanpa modifikasi, sesuai dengan pengujian

pertama, maka ditentukan diagnosa mengapa mesin tidak dapat beroperasi

seperti yang ditunjukkan pada tabel berikut ini.

Tabel 4.1 tindakan yang dilakukan

No. Tindakan yang dilakukan Efek yang diharapkan ketercapaian efek

1 Mengganti Heat Source dengan burner kerosene

Temperatur hasil perancangan tercapai ya

2 Menambah extension cylinder

Volume bertambah, kebocoran sambungan napple di sambungan head silinder panas dapat dihilangkan

ya

3 Mengelas napple pada head silinder panas dengan las kuningan

Kebocoran pada sambungan napple head silinder panas dapat dihilangkan

ya

4 Menambah seal tape pada ulir napple-napple sambungan

Kebocoran pada ulir napple dapat diminimalisasi ya

5 Memasang ring oli pada kedua piston

Kebocoran antara ring piston dan dinding silinder dapat diminamilaisasi

ya

6 Menambah oli (pelumas) pada masing-masing ruang silinder

Udara tidak menembus sela-sela antara ring piston dan dinding silinder ya

7 Membalik posisi motor, dengan posisi silinder panas berada di bawah

Udara yang sudah dipanaskan, densitasnya akan menjadi rendah dan akan mengisi ruang silinder panas terlebih dahulu daripada menuju saluran yang menuju ke silinder dingin

ya

8 Mengalirkan air pada head silinder dingin

Temperatur udara di dalam Silinder dingin, tetap terjaga rendah

tidak diketahui

9 Merendam seluruh silinder dingin dalam air

Temperatur udara di dalam Silinder dingin, tetap terjaga rendah, memcegah konduksi dari permukaan silinder panas ke silinder dingin

ya

10 Memutar motor stirling dengan menggunakan mesin bor tangan elektrik

Adanya putaran awal, agar momen inersia pada flywheel cukup untuk menjalankan motor stirling

tidak

11 Massa flywheel diperbesar Momentum untuk memutar motor stirlilng cukup

tidak

12 Dimensi flywheel diperbesar Momentum untuk memutar motor stirling cukup

tidak

Page 86: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 72

Anggit Yuliartono M | 2010

4.3.2. Tahapan Pengujian Yang Dilakukan

Sejak dimulai pada tanggal 14 Desember 2009, pengujian dilakukan

secara terus menerus. Rincian tanggal pengujian yang dilakukan dijelaskan

sebagai berikut:

4.3.2.1. Pengujian I

Pada pengujian ini, dilakukan percobaan untuk memfokuskan sinar

matahari dengan menggunakan parabolic mirror yang telah dibuat.

Tetapi temperatur dari pemfokusan sinar matahari ini tidak mencapai

temperatur yang diinginkan sesuai dalam perancangan termodinamika,

sehingga untuk mencapai temperatur yang diinginkan, diganti dengan

menggunakan burner dengan bahan bakar LPG dan kerosene sesuai

dengan solusi no. 1 pada Tabel 4.1.

Gambar 4.4 Parabolic Mirror

4.3.2.2. Pengujian II

Pada pengujian tanggal 14 Desember 2010 ini sampai tanggal 24

Desember 2009, burner yang digunakan adalah burner dengan bahan

bahar LPG

Konfigurasi pada saat pengujian :

Page 87: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 73

Anggit Yuliartono M | 2010

• Ring oli pada kedua piston tidak dipasang.

• Tidak ada pelumas sama sekali pada pada ruang silinder.

• Head silinder panas langsung dibakar

• Posisi pengujian seperti tampak pada Gambar 4.4

Gambar 4.5 motor stirling yang sudah dirakit

Keadaan pada saat pengujian :

• Flywheel sama sekali tidak menunjukkan tanda-tanda akan bergerak.

• Keluar asap dari sambungan napple di head silinder panas, hal ini

menunjukkan terjadinya kebocoran pada sambungan napple.

• Temperatur dinding silinder dingin menjadi panas, hal ini

menunjukkan adanya panas terkonduksi ke silinder dingin melalui

bahan, padahal hal ini dihindari dalam motor stirling.

Hasil pengamatan pengujian ini yaitu motor stirling tidak dapat

beroperasi dengan analisa sebagai berikut:

• Sambungan napple pada head silinder panas rusak dan akhirnya bocor.

• Momentum dari flywheel kurang, sehingga energi tidak bisa disimpan

untuk melakukan siklus selanjutnya.

bagian yang dikenai api dari burner

Page 88: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 74

Anggit Yuliartono M | 2010

Solusi yang diambil untuk pengujian berikutnya berdasarkan Tabel 4.1

yaitu solusi no. 1,3,5.

4.3.2.3. Pengujian III

Setelah diambil solusi 1,3,5, maka konfigurasi pada saat pengujian :

• Ring oli pada kedua piston tidak dipasang.

• Dinding silinder diberi pelumas.

• Bagian yang dibakar adalah extension silinder panas.

Keadaan pada saat pengujian :

• Flywheel sama sekali tidak menunjukkan tanda-tanda akan bergerak.

• Keluar asap dari sambungan napple di head silinder panas.

• Temperatur dinding silinder dingin menjadi panas, hal ini

menunjukkan adanya panas terkonduksi ke silinder dingin melalui

bahan, padahal hal ini dihindari dalam motor stirling.

Hasil pengamatan pengujian ini yaitu motor stirling tidak dapat

beroperasi dengan analisa sebagai berikut:

• Sambungan napple pada head silinder panas masih tetap akibat

terbakar rusak dan akhirnya bocor.

• Momentum dari flywheel kurang, sehingga energi tidak bisa disimpan

untuk melakukan siklus selanjutnya.

Solusi yang diambil untuk pengujian berikutnya berdasarkan Tabel 4.1

yaitu no. 4 dan 9.

Page 89: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 75

Anggit Yuliartono M | 2010

4.3.2.4. Pengujian IV

Setelah diambil solusi no, 4 dan 9 maka konfigurasi pada saat pengujian:

• Ring oli pada kedua piston dipasang.

• Dinding silinder diberi pelumas.

• Bagian yang dibakar adalah extension silinder panas.

Keadaan pada saat pengujian :

• Temperatur dinding silinder dingin menjadi panas, hal ini

menunjukkan adanya panas terkonduksi ke silinder dingin melalui

bahan, padahal hal ini dihindari dalam motor stirling.

Hasil pengamatan pengujian ini yaitu motor stirling tidak dapat

beroperasi dengan analisa sebagai berikut:

• Sambungan napple pada head silinder panas masih tetap akibat

terbakar rusak dan akhirnya bocor.

• Momentum dari flywheel kurang, sehingga energi tidak bisa disimpan

untuk melakukan siklus selanjutnya.

Solusi yang diambil untuk pengujian berikutnya berdasarkan Tabel 4.1

yaitu no. 7

Page 90: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 76

Anggit Yuliartono M | 2010

4.3.2.5. Pengujian V

Mulai pada tanggal ini, burner yang digunakan adalah burner dengan

bahan bakar kerosene.

Setelah diambil solusi 7, maka konfigurasi pada saat pengujian yaitu:

• Ring oli pada kedua piston dipasang.

• Dinding silinder diberi pelumas.

• Bagian yang dibakar adalah extension silinder panas.

• Head silinder dingin disiram air selama proses pembakaran pada

silinder panas.

Keadaan pada saat pengujian :

• Flywheel sama sekali tidak menunjukkan tanda-tanda akan terus

berputar meskipun sudah diawali dengan putaran dari tangan. Pada

saat memutar, gaya yang dikeluarkan oleh tangan terasa cukup berat.

• Temperatur dinding silinder dingin menjadi panas, hal ini

menunjukkan adanya panas terkonduksi ke silinder dingin melalui

bahan, padahal hal ini dihindari dalam motor stirling.

Hasil pengamatan pengujian ini yaitu motor stirling tidak dapat

beroperasi dengan analisa sebagai berikut:

• Sambungan napple pada head silinder panas masih tetap akibat

terbakar rusak dan akhirnya bocor.

• Momentum dari flywheel kurang, sehingga energi tidak bisa disimpan

untuk melakukan siklus selanjutnya.

Page 91: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 77

Anggit Yuliartono M | 2010

• Udara yang dipanaskan lebih dulu tersebar daripada mendorong piston

di silinder panas.

Solusi yang diambil untuk pengujian berikutnya berdasarkan Tabel 4.1

yaitu no. 6 dan 7

4.3.2.6. Pengujian VI

Setelah diambil solusi no. 6 dan 7, maka konfigurasi pada saat pengujian

yaitu:

• Ring oli pada kedua piston dipasang.

• Dinding silinder diberi pelumas.

• Head silinder dingin disiram air selama proses pembakaran pada

silinder panas.

• Bagian yang dibakar adalah extension silinder panas, dengan posisi

silinder panas menghadap di bawah, dengan tujuan densitas udara

yang dipanaskan akan menjadi rendah dan kemudian lebih dulu

mengisi ruang di silinder panas daripada mengalir ke silinder dingin

dan dapat mendorong piston.

Keadaan pada saat pengujian :

• Flywheel diputar dengan menggunakan tangan, tenaga yang

dibutuhkan tangan lebih ringan daripada pengujian sebelumnya.

• Temperatur dinding silinder dingin menjadi panas, hal ini

menunjukkan adanya panas terkonduksi ke silinder dingin melalui

bahan, padahal hal ini dihindari dalam motor stirling.

Page 92: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 78

Anggit Yuliartono M | 2010

Hasil pengamatan pengujian ini yaitu motor stirling tidak dapat

beroperasi dengan analisa sebagai berikut:

• Momentum dari flywheel kurang, sehingga energi tidak bisa disimpan

untuk melakukan siklus selanjutnya.

Solusi yang diambil untuk pengujian berikutnya berdasarkan Tabel 4.1

yaitu no. 8

4.3.2.7. Pengujian VII

Setelah diambil solusi no. 8, maka keadaan pada saat pengujian yaitu:

• Ring oli pada kedua piston dipasang.

• Dinding silinder diberi pelumas.

• Bagian yang dibakar adalah extension silinder panas.

• Bagian yang dibakar adalah extension silinder panas, dengan posisi

silinder panas menghadap ke samping, dan silinder dingin direndam

dalam air, tetapi flywheel yang digunakan masih sama dengan

flywheel pada pengujian sebelumnya.

Keadaan pada saat pengujian :

• Temperatur permukaan dan sirip pada dinding luar silinder dingin

tetap terjaga sesuai dengan temperatur air.

• Setelah dipanaskan beberapa lama, flywheel diputar dengan tangan,

terasa ada bantingan, tetapi momentum dari flywheel terasa kurang.

Page 93: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 79

Anggit Yuliartono M | 2010

Hasil pengamatan pengujian ini yaitu motor stirling tidak dapat

beroperasi dengan analisa sebagai berikut:

• momentum dari flywheel kurang, sehingga energi tidak bisa disimpan

untuk melakukan siklus selanjutnya.

Solusi yang diambil untuk pengujian berikutnya berdasarkan tabel 4.1

yaitu no. 10

4.3.2.8. Pengujian VIII

Setelah diambil solusi no. 10, maka keadaan pada saat pengujian yaitu:

• Ring oli pada kedua piston dipasang.

• Dinding silinder diberi pelumas.

• Bagian yang dibakar adalah extension silinder panas.

• Bagian yang dibakar adalah extension silinder panas, dengan posisi

silinder panas menghadap ke samping, dan silinder dingin direndam

dalam air, tetapi flywheel yang digunakan menggunakan flywheel 1

(berwarna merah seperti pada Gambar 4.5).

Gambar 4.6 pengujian pada tanggal 25 Januari 2010

Page 94: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 80

Anggit Yuliartono M | 2010

Keadaan pada saat pengujian :

• Temperatur permukaan dan sirip pada dinding luar silinder dingin

tetap terjaga sesuai dengan temperatur air.

• Setelah dipanaskan beberapa lama, flywheel diputar dengan tangan,

terasa ada bantingan, tetapi momentum dari flywheel terasa kurang.

Hasil pengamatan pengujian ini yaitu motor stirling tidak dapat

beroperasi dengan analisa sebagai berikut:

• Momentum dari flywheel kurang, sehingga energi tidak bisa disimpan

untuk melakukan siklus selanjutnya.

Solusi yang diambil untuk pengujian berikutnya berdasarkan Tabel 4.1

yaitu no. 10, dengan massa flywheel yang lebih besar dari sebelumnya.

4.3.2.9. Pengujian IX

Setelah diambil solusi no. 10, maka keadaan pada saat pengujian yaitu:

• Ring oli pada kedua piston dipasang.

• Dinding silinder diberi pelumas.

• Bagian yang dibakar adalah extension silinder panas.

• Bagian yang dibakar adalah extension silinder panas, dengan posisi

silinder panas menghadap ke samping, dan silinder dingin direndam

dalam air, tetapi flywheel yang digunakan menggunakan flywheel 2

(berwarna merah seperti pada Gambar 4.6).

Page 95: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 81

Anggit Yuliartono M | 2010

Gambar 4.7 pengujian pada tanggal 26 Januari 2010

Keadaan pada saat pengujian :

• Temperatur permukaan dan sirip pada dinding luar silinder dingin

tetap terjaga sesuai dengan temperatur air.

• Setelah dipanaskan beberapa lama, flywheel diputar dengan tangan,

terasa ada bantingan, tetapi momentum dari flywheel terasa kurang.

Hasil pengamatan pengujian ini yaitu motor stirling tidak dapat

beroperasi dengan analisa sebagai berikut:

• Momentum dari flywheel kurang, sehingga energi tidak bisa disimpan

untuk melakukan siklus selanjutnya.

4.4. Pengukuran Parameter-Parameter Termodinamika

Sampai dengan tanggal 26 Januari 2010, serangkaian percobaan yang

bertujuan menjalankan motor stirling yang telah dibuat telah dilakukan, tatapi

motor stirling masih belum bisa beroperasi. Langkah selanjutnya yang

Page 96: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 82

Anggit Yuliartono M | 2010

diambil adalah menganalisis secara termodinamik fenomena yang terjadi di

dalam silinder panas dan dingin pada motor stirling tersebut.

Analisis termodinamik ini memerlukan sensor tekanan yang

dipergunakan untuk mengukur tekanan yang terjadi di motor stirling ini

berdasarkan fungsi putaran sudut engkol.

Gambar 4.8 sensor tekanan

Sensor tekanan (pressure gage) ditempatkan di head silinder dingin,

dengan pertimbangan meminimalisasi kebocoran, karena jika ditempatkan di

head silinder panas, dikhawatirkan akan terbakar, dan jika ditempatkan di

regenerator, dikhawatirkan terjadi kebocoran juga karena dinding silinder

yang digunakan pada regenerator cukup tipis.

Gambar 4.9 pemasangan sensor tekanan

Kemudian sensor yang digunakan adalah sensor temperatur, yaitu

termokopel tipe – K, dengan pembaca temperatur digital yang dipinjam dari

Laboratorium Konversi Energi Institut Teknologi Nasional, Bandung. Sensor

Page 97: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 83

Anggit Yuliartono M | 2010

temperatur, berupa termokopel tipe – K ini dipiliih karena kapabilitas

pengukuran temperaturnya berada di kisaran ‐270 sampai 1372°C.

Temperatur motor stirling yang dirancang berada di dalam kisaran tersebut .

Gambar 4.10 termokopel tipe k

Sensor temperatur ini ditempatkan di tiga tempat, yaitu di head silinder

dingin, untuk mengetahui temperatur di dalam ruang silinder dingin,

kemudian di head silinder panas, untuk mengetahui temperatur udara di

dalam ruang silinder panas yang telah dipanaskan oleh burner kerosene.

Sensor yang terakhir ditempatkan di dalam regenerator untuk mengetahui

temperatur di dalam regenerator karena berdasarkan teori Schmidt,

temperatur regenerator adalah rata-rata logaritmik dari temperatur panas (Th)

dan temperatur dingin7 (Tc).

Gambar 4.11 pemasangan sensor termokopel

7Herzog, Zig., Schmidt theory for Stirling engines . diakses tanggal 2 Agustus 2009. dari : http://mac6.ma.psu.edu/stirling/simulations/isothermal/schmidt.html

Page 98: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 84

Anggit Yuliartono M | 2010

Setelah dilakukan pemasangan sensor-sensor yang dibutuhkan,

kemudian kembali dilakukan pengujian yang bertujuan untuk mengetahui

tekanan dan temperatur yang yang terjadi di dalam motor stirling pada proses

pemanasan.

Pengujian tanggal 6 Februari 2010

Setelah pengujian terakhir pada tanggal 26 Januati 2010, kemudian

diambil solusi no. 10 dan 11, maka Keadaan pada saat pengujian yaitu:

• Ring oli pada kedua piston dipasang.

• Dinding silinder diberi pelumas.

• Bagian yang dibakar adalah extension silinder panas.

• Bagian yang dibakar adalah extension silinder panas, dengan posisi

silinder panas menghadap ke samping, dan silinder dingin direndam

dalam air, tetapi flywheel yang digunakan menggunakan flywheel 3

(berwarna biru seperti pada Gambar 4.11.).

Gambar 4.12 pengujian pada tanggal 6 Februari 2010

Page 99: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 85

Anggit Yuliartono M | 2010

Keadaan pada saat pengujian :

• Temperatur permukaan dan sirip pada dinding luar silinder dingin

tetap terjaga sesuai dengan temperatur air. Temperatur udara dalam

silinder dingin (Tc) disajikan pada grafik pada Gambar 4.12.

• Temperatur udara di dalam silinder panas meningkat sebanding

dengan waktu, sampai menunjukkan temperatur maksimum pada

240oC setelah 15 menit pembakaran. hal ini ditunjukkan pada grafik

pada Gambar 4.12.

• Setelah dipanaskan beberapa lama, flywheel diputar dengan tangan,

terasa ada bantingan, tetapi momentum dari flywheel terasa kurang.

Hasil pengamatan pengujian ini yaitu motor stirling tidak dapat

beroperasi dengan analisa sebagai berikut:

• Momentum dari flywheel kurang, sehingga energi tidak bisa disimpan

untuk melakukan siklus selanjutnya.

• Temperatur udara di dalam silinder panas tidak mencapai temperatur

pada perancangan termodinamika.

Page 100: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 86

Anggit Yuliartono M | 2010

Gambar 4.13 grafik Temperatur vs Waktu

Pada pengujian tanggal 6 Februari ini ditunjukkan temperatur udara di

silinder dingin relatif stabil ada pada kisaran 30 oC - 40 oC, sehingga

sesuai dengan perancangan termodinamika yang dilakukan, tetapi

temperatur udara di dalam silinder panas tidak mencapai temperatur yang

diinginkan sehingga diambil solusi dengan cara memfokuskan api yang

dikeluarkan burner ke satu titik dengan cara membuat pengarah

menggunakan batu.

Sedangkan tekanan di dalam motor stirling terbaca melalui sensor

tekanan yang dipasang, ketika flywheel mulai diputar menggunakan

tangan. Tekanan yang ditunjukka pada sensor tekanan menunjukkan

posisi maksimum pada ± psi gage. Tekanan ini sesuai dengan

perancangan, dimana pada perancangan tekanan maksimum adalah 3,26

bar absolut = 40,28 psi absolut, sehingga apabila diukur dalam gage

tekanan tersebut menjadi 26,08 psi gage.

0

50

100

150

200

250

300

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Te

mp

era

tur

(oC

)

Waktu (menit)

Grafik Temperatur vs Waktu

Th

Tc

Page 101: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 87

Anggit Yuliartono M | 2010

Pengujian tanggal 8 Februari 2010

Setelah pengujian terakhir pada tanggal 6 Februari 2010, kemudian

diambil solusi memfokuskan api ke extension cylinder, maka Keadaan

pada saat pengujian yaitu:

• Ring oli pada kedua piston dipasang.

• Dinding silinder diberi pelumas.

• Bagian yang dibakar adalah extension silinder panas.

• Bagian yang dibakar adalah extension silinder panas, dengan posisi

silinder panas menghadap ke samping, dan silinder dingin direndam

dalam air, tetapi flywheel yang digunakan menggunakan flywheel 3

(berwarna biru seperti pada Gambar 4.14).

Gambar 4.14 pengujian pada tanggal 8 Februari 2010

Page 102: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 88

Anggit Yuliartono M | 2010

Keadaan pada saat pengujian :

• Temperatur permukaan dan sirip pada dinding luar silinder dingin

tetap terjaga sesuai dengan temperatur air. Temperatur udara dalam

silinder dingin (Tc) disajikan pada grafik 4.12

• Temperatur udara di dalam silinder panas meningkat sebanding

dengan waktu, sampai menunjukkan temperatur maksimum pada

361,4oC setelah 15 menit pembakaran. hal ini ditunjukkan pada grafik

pada Gambar 4.14

Gambar 4.15 grafik Temperatur vs Waktu

Pada pengujian tanggal 8 Februari ini ditunjukkan temperatur udara di

silinder dingin relatif stabil ada pada kisaran 28 oC - 35 oC, sehingga

sesuai dengan perancangan termodinamika yang dilakukan, temperatur

udara di dalam silinder panas mencapai temperatur yang diinginkan.

361,4

29,4 29,6 29,8 29,9 30,5 300

50

100

150

200

250

300

350

400

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Te

mp

era

tur

(oC

)

Waktu (menit)

Grafik Temp. vs Waktu

Th

Tc

Page 103: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

BAB V

PENGOLAHAN DATA

5.1. Data Hasil Pengujian

Berdasarkan bab sebelumnya, hasil pengujian menunjukkan bahwa

parameter termodinamika hasil perancangan sudah tercapai. Data hasil

pengujian tersebut adalah:

a) Temperatur maksimum udara dalam silinder panas (TE), yaitu TE = 361oC

= 634 K. Temperatur tersebut dicapai dengan menggunakan burner

dengan bahan kerosene. Temperatur tersebut mencapai maksimum pada

menit ke 15 (lihat grafik 4.15).

b) Temperatur udara dalam silinder Dingin (TC), yaitu TC = 32,1 oC = 305,1

K. Temperatur relatif konstan untuk pemanasan selama 15 menit.

5.2. Parameter Berdasarkan Kondisi Termodinamika

Berdasarkan kondisi-kondisi termodinamika yang dituliskan di sub-

bab sebelumnya, dapat ditentukan parameter-parameter yang nantinya

digunakan dalam proses perhitungan selanjutnya pada proses perancangan

termodinamika motor stirling ini. Parameter-parameter tersebut adalah:

• Volume langkah pada piston kompresi (VSC) dan ekspansi (VSE) :

� ��� � �� � � � � � �� � � 0,051 � � 0,054 � � 1,103 � 10�� ��

� ��� � ���

Page 104: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 90

Anggit Yuliartono M | 2010

• Rasio kompresi (r) :

� DE

DESC

V

VVr

+= 35

3534

1026,1

1026,110103,1

m

mm−

−−

××+×= � 9,68

• Temperatur regenerator (TR) :

� �� � ����� � ����!",� � 469,55 #

• Rasio temperatur (t) :

� 48,0634

1,305 ===K

K

T

Tt

E

C

• Rasio volume langkah (v) :

� SE

SC

V

Vv = =

1,103�10-4 m31,103�10-4 m3 �1

• Rasio volume sisa pada silinder dingin (XDC) :

� XDC=VDC

VSE=1,3×10

-5 m3

1,103×10-4 m3=0,118

• Rasio volume sisa pada silinder panas (XDE) :

� XDE=VDE

VSE=

1,3�10-5 m31,103�10-4 m3 =0,118

• Rasio volume sisa pada regenerator (XR) :

� XR� VRVSE � 2,5 � 10-5 m31,103�10-4 m3 �0,227

5.3. Massa Udara Yang Diperlukan Sebagai Fluida Kerja

Massa udara total (m) yang dimasukkan pada mesin adalah pada saat

temperatur kamar dan tekanan lingkungan (atmosfir). Dari Bab III, didapat

bahwa besarnya m adalah 0, 000352 kg.

Page 105: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 91

Anggit Yuliartono M | 2010

5.4. Tekanan rata-rata (Pmean)

Persamaan untuk menghitung tekanan rata-rata sesuai dengan

persamaan 2.27.

-./01 � 2�2�����√� 4 5

dimana nilai koefisien a, S dan B sesuai dengan persamaan 2.23, 2.24 dan

2.25 adalah sebagai berikut :

� 6 � 768�� 9 :;< =>?�@A: =>�� � 768�� � :;< B!°!,�!��@A: B!°�� � 64,30° � S � t E 2tFG� E �HI��? E J E 2FG�

� 0,48 E K2 � 0,48 � 0,118L E 4 � 0,2271 E 0,48 E 1 E K2 � 0,118L � � 2,847

� 5 � √7 E 27J cos PQ E J

� R0,48 E K2 � 0,48 � 1 � cos 90°L E 1

5 � 1,11

maka,

� -./01 � �!,!!!�BST�U VKWX.WL���� S�,�!���!Z[ .\R�,BB]��,!^]

-./01 � 213435,6 _� � 213435,6 -6

Page 106: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 92

Anggit Yuliartono M | 2010

5.5. Tekanan Ekstrim Siklus

Untuk menghitung tekanan maksimum dan minimum, perlu dihitung

koefisien c dengan menggunakan persamaan 2.28. Dimana nilai koefisien c

adalah sebagai berikut :

` � 5� � 1,112,847 � 0,39

5.5.1. Tekanan Maksimum (Pmax)

Setelah didapatkan koefisien c, kemudian dapat dihitung tekanan

maksimum (Pmax) berdasarkan hubungannya dengan tekanan rata-rata (Pmean)

dengan menggunakan persamaan di bawah ini:

-.0>-./01 � a1 E `1 4 `

maka,

-.0> � a1 E 0,391 4 0,39 � 213435,6 -6 � 321551,45 -6

Dimana tekanan ini terjadi pada sudut engkol 60o (lihat tabel

perhitungan untuk membuat diagram P-V)

5.5.2. Tekanan Minimum (Pmin)

Sedangkan tekanan minimum, juga dapat dihitung berdasarkan

hubungannya dengan tekanan rata-rata (Pmean) dengan menggunakan

persamaan di bawah ini:

-.b1-./01 � a1 4 `1 E `

Page 107: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 93

Anggit Yuliartono M | 2010

maka

-.b1 � a1 E 0,391 4 0,39 � 213435,6 -6 � 141529,04 -6

Dimana tekanan ini terjadi pada sudut engkol 240o (lihat tabel

perhitungan untuk membuat diagram P-V)

5.6. Kerja indikator yang dihasilkan dalam satu siklus (Wi)

Kerja per siklus merupakan selisih kalor masuk dan kalor keluar atau

hasil penjumlahan kerja ekspansi dan kerja kompresi, seperti pada persamaan

2.35 :

Wi = WE + WC

dimana nilai Wc dan WE akan sama dengan jumlah kalornya7 jadi QC = WC,

begitu juga WE = QE

5.6.1. Kerja ekspansi (WE)

Kerja ekspansi adalah kerja yang dihasilkan pada proses 3-4 pada siklus

stirling ideal. Kerja ekspansi (WE) diperoleh dengan persamaan 2.33

c� � -./01. ��� . �. `. de8 61 E √1 4 `

� 2213435,6 -6 � 1,103 � 10�� �� � � � 0,38 � sin 67,9°1 E R1 4 0,39

c� � 13,53 h

7Herzog, Zig . Schmidt theory for Stirling engines. diakses tanggal 28 Juli 2009. dari : http://mac6.ma.psu.edu/stirling/simulations/isothermal/schmidt.html.

Page 108: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 94

Anggit Yuliartono M | 2010

5.6.2. Kerja kompresi (WC)

Kerja kompresi adalah kerja yang diberikan pada proses 1-2 pada siklus

stirling ideal. Kerja kompresi (WC) diperoleh dengan persamaan 2.34. Tanda

negatif menunjukkan bahwa kerja mengarah ke dalam sistem yang berarti fluida

kerja dikenai kerja.

c� � 4 -./01����`7 sin 61 E √1 4 `

� 4 213435,6 -6 � 1,103 � 10�� �� � � � 0,39 � 0,52 � sin 67,9°1 E R1 4 0,39

c� � 46,51 h 5.6.3. Kerja Indikator (WI)

Jadi kerja indikator per siklusnya, sesuai dengan persamaan 2.53 adalah

cb � 13,53 h 4 6,51 h � 7,02 h sehingga dapat diperoleh daya indikator, berdasarkan persamaan 2.39

dengan asumsi variasi putaran mesin 700 rpm – 1000 rpm. Berikut di bawah ini

daya indikator (Li) yang dihasilkan pada variasi putaran (n) :

Tabel 5.1 Daya indikator motor stirling berdasarkan variasi putaran

n(rpm) Li (Watt)

700 81,87

800 93,57

900 105,26

1000 116,86

Page 109: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 95

Anggit Yuliartono M | 2010

5.7. Efisiensi Thermal Yang Dihasilkan (ηt)

Idealnya efisiensi thermal adalah perbandingan kerja yang dihasilkan

(WI) terhadap energi yang diberikan terhadap sistem. Tetapi kerja ekspansi

(WE) yang ditunjukkan pada persamaan 2.33 juga berarti kalor yang

dimasukkan ke dalam sistem7. Kemudian, kerja kompresi (WC) yang

ditunjukkan pada persamaan 2.34 bernilai sama dengan kalor yang dibuang

ke lingkungan. Maka efisiensi thermal – ηt dapat dihitung dengan

menggunakan persamaan 2.41

ηj � cbc� � 6,51 h13,53 h � 0,5188

� 0,4815 � 100%

� 51,88%

dimana nilai efisiensi motor stirling ini sama dengan efisiensi Carnot.

5.8. Diagram P-V Hasil Pengujian Motor Stirling

Tabel 5.2 Perhitungan untuk membuat diagram P-V Crank angle

Vh (m3) Vc (m3) Vr (m3) Vtot (m3) P(Pa)

0 0,0000123 0,0000674 0,0000880 0,0001676 236534,73

10 0,0000131 0,0000578 0,0000880 0,0001589 254425,93

20 0,0000156 0,0000485 0,0000880 0,0001521 272606,47

30 0,0000196 0,0000398 0,0000880 0,0001474 289914,13

40 0,0000252 0,0000320 0,0000880 0,0001451 304869,85

50 0,0000320 0,0000252 0,0000880 0,0001451 315875,35

60 0,0000398 0,0000196 0,0000880 0,0001474 321551,45

70 0,0000485 0,0000156 0,0000880 0,0001521 321116,39

80 0,0000578 0,0000131 0,0000880 0,0001589 314631,82

90 0,0000674 0,0000123 0,0000880 0,0001676 302982,62

100 0,0000770 0,0000131 0,0000880 0,0001781 287602,08

110 0,0000863 0,0000156 0,0000880 0,0001898 270089,53

7Herzog, Zig . Schmidt theory for Stirling engines. diakses tanggal 28 Juli 2009. dari : http://mac6.ma.psu.edu/stirling/simulations/isothermal/schmidt.html.

Page 110: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 96

Anggit Yuliartono M | 2010

120 0,0000950 0,0000196 0,0000880 0,0002026 251888,01

130 0,0001029 0,0000252 0,0000880 0,0002160 234108,49

140 0,0001097 0,0000320 0,0000880 0,0002296 217493,82

150 0,0001152 0,0000398 0,0000880 0,0002430 202469,02

160 0,0001192 0,0000485 0,0000880 0,0002558 189223,95

170 0,0001217 0,0000578 0,0000880 0,0002675 177794,36

180 0,0001226 0,0000674 0,0000880 0,0002779 168126,54

190 0,0001217 0,0000770 0,0000880 0,0002867 160123,15

200 0,0001192 0,0000863 0,0000880 0,0002935 153673,13

210 0,0001152 0,0000950 0,0000880 0,0002981 148669,86

220 0,0001097 0,0001029 0,0000880 0,0003005 145021,65

230 0,0001029 0,0001097 0,0000880 0,0003005 142657,33

240 0,0000950 0,0001152 0,0000880 0,0002981 141529,04

250 0,0000863 0,0001192 0,0000880 0,0002935 141613,49

260 0,0000770 0,0001217 0,0000880 0,0002867 142912,43

270 0,0000674 0,0001226 0,0000880 0,0002779 145452,63

280 0,0000578 0,0001217 0,0000880 0,0002675 149285,29

290 0,0000485 0,0001192 0,0000880 0,0002558 154484,67

300 0,0000398 0,0001152 0,0000880 0,0002430 161144,98

310 0,0000320 0,0001097 0,0000880 0,0002296 169374,22

320 0,0000252 0,0001029 0,0000880 0,0002160 179282,85

330 0,0000196 0,0000950 0,0000880 0,0002026 190964,23

340 0,0000156 0,0000863 0,0000880 0,0001898 204462,73

350 0,0000131 0,0000770 0,0000880 0,0001781 219725,42

360 0,0000123 0,0000674 0,0000880 0,0001676 236534,73

Gambar 5.2 (a) Diagram P-V hasil pengujian

0,00

50000,00

100000,00

150000,00

200000,00

250000,00

300000,00

350000,00

0,00000 0,00005 0,00010 0,00015 0,00020 0,00025 0,00030 0,00035

P (

Pa

)

V (m3)

Diagram P-V

Page 111: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

BAB VI

ANALISIS

Pada bab ini dikemukakan analisis hasil perancangan termodinamika

motor stirling, dan analisis hasil percobaan yang dilakukan.

6.1. Analisis Secara Umum

Secara umum, motor stirling yang dirancang dan dibuat sudah

memenuhi teori-teori yang didapat pada saat tahap studi literatur penyusunan

tugas akhir ini yaitu sudut fasa sebesar 90o sudah dicapai dan temperatur di

dalam silinder panas & dingin sudah mencapai hasil perancangan, tetapi teori

saja belum mencukupi untuk melakukan penelitian lebih lanjut mengenai

motor stirling ini, pengalaman dalam melakukan perancangan sebuah motor

bakar juga dibutuhkan dalam melakukan penelitian ini.

6.2. Analisis Perancangan Termodinamika

Dari hasil perancangan prototype termodinamika stirling engine tipe

alpha dengan konfigurasi V-90 seharusnya dapat menghasilkan daya sebesar

85,49 watt pada putaran 800 rpm dengan kerja indikator per siklusnya sebesar

6,49 J.

Hasil-hasil tersebut diperoleh dengan mengaplikasikan teori Schmidt

pada perancangan termodinamika ini. Pada perancangan termodinamika

tersebut, fungsi regenerator tidak dilibatkan, dalam artian pengaruh

Page 112: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 98

Anggit Yuliartono M | 2010

termodinamika dari regenerator tidak muncul dalam persamaan-persamaan

yang digunakan dalam teori Schmidt tersebut.

Dalam pengaplikasian teori Schmidt yang dipublikasikan oleh

Koichi Hirata ini, perhitungan mengenai heat transfer di silinder panas dan

silinder dingin juga tidak ditemukan, padahal perhitungan heat transfer juga

merupakan hal yang penting dalam penentuan material dan dimensinya yang

akan dipergunakan dalam pembuatan motor stirling.

6.3. Analisis Dari Rangkaian Percobaan yang Dilakukan

Motor stirling yang telah dibuat tidak bisa beroperasi seperti yang dipaparkan

pada Bab IV, dengan analisis sebagai berikut:

• Sambungan napple pada head silinder panas rusak dan akhirnya bocor

dan mengakibatkan tekanan loss.

• Momentum dari flywheel kurang, sehingga energi tidak bisa disimpan

untuk melakukan siklus selanjutnya.

• Temperatur dinding silinder dingin menjadi panas, hal ini

menunjukkan adanya panas terkonduksi ke silinder dingin melalui

bahan, padahal hal ini dihindari dalam motor stirling.

• Bagian yang dibakar adalah extension silinder panas, dengan posisi

silinder panas menghadap di bawah, dengan tujuan densitas udara

yang dipanaskan akan menjadi rendah dan kemudian lebih dulu

mengisi ruang di silinder panas daripada mengalir ke silinder dingin

dan dapat mendorong piston.

Page 113: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

BAB VII

KESIMPULAN DAN SARAN

7.1. Kesimpulan

Dalam laporan ini digambarkan perancangan termodinamika dari

motor stirling berdasarkan teori Schmidt (Schmidt theory).

7.1.1. Kesimpulan Perancangan

Berdasarkan perancangan masih belum mencapai kesempurnaan.

Temperatur ekspansi dan temperatur kompresi akan berbeda dari keadaan

sebenarnya. Perbedaan ini disebabkan fungsi regenerator pada proses

perhitungan perancangan ini tidak dikaji. Konstruksi dan penggunaan dari

material untuk regenerator kurang diperhatikan, sehingga sebaiknya optimasi

perancangan regenerator menjadi perhatian juga.

Tabel 7.1 Spesifikasi teknis hasil perancangan termodinamika

Spesifikasi Nilai T

E (Temp. Panas) 350

o C = 623 K

TC

(Temp. Dingin) 50 o C = 313 K

Fluida Kerja Udara [R = 286 J/(kg.K) ] Sudut antara hot cylinder dan silinder kompresi cold cylinder (dx) 90

o

Diameter piston (D) 51 mm = 0,051 m Panjang langkah/Stroke (S) 54 mm = 0,054 m Volume sisa pada piston kompresi (V

DC) dan ekspansi (V

DE) 13 cm

3 = 1,3 × 10

-5 m

3

Rasio kompresi 1 : 9,46 Kecepatan mesin 800 rpm (diasumsikan) Tekanan rata-rata (P

mean ) 2,17 Bar

Daya Indikator (Pi) 85,49 Watt pada 800 rpm

Page 114: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 100

Anggit Yuliartono M | 2010

Untuk meningkatkan performansi dari mesin stirling ini, temperatur

ekspansi yang lebih tinggi (lebih tinggi dari temperatur perancangan di dalam

laoran tugas akhir ini, di dalam literatur-literatur biasanya mencapai 800oC -

1000oC) sangat diperlukan. Tetapi berdasarkan hal tersebut, diperlukan juga

material yang tahan terhadap temperatur tinggi seperti baja paduan dengan

komposisi nikel yang cukup tinggi. Selain itu, perlu juga meningkatkan angka

konveksi di dalam silinder panas.

Perlu diingat bahwa mesin stirling dihitung dengan asumsi keadaan

ideal. Mesin stirling pada kenyataanya berbeda dengan siklus idealnya karena

beberapa aspek penting :

(a) Regenerator dan saluran-saluran pada mesin stirling sebenarnya tidak

bervolume nol. Hal ini berarti fluida kerja tidak pernah secara sempurna

masuk ke sisi panas dan sisi dingin mesin, dan oleh karena itu, fluida

kerja tidak pernah ada pada keadaan temperatur yang seragam.

(b) Proses ekpansi dan kompresi dalam prakteknya lebih kearah politropik

daripada isothermal. Hal ini menyebabkan fluktuasi tekanan dan

temperatur pada fluida kerja

(c) Gesekan fluida yang terjadi ketika terjadi perpindahan fluida kerja.

(d) Faktor lainnya seperti konduksi antara silinder panas dan silinder

dingin, kebocoran seal, gesekan pada mekanisme, semuanya

menyebabkan motor stirling sebenarnya berbeda dengan karakteristik

mesin secara ideal.

Page 115: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 101

Anggit Yuliartono M | 2010

Meskipun mesin stirling secara teoritik mempunyai efisiensi yang

besar (efisiesni Carnot), faktor-faktor di atas mengakibatkan berkurangnya

performansi mesin yang sebenarnya dari harga-harga perhitungan di atas.

7.1.2. Kesimpulan Pengujian

Pada penelitian ini, motor stirling yang telah dirancang dan dibuat tidak

bisa beroperasi. Tetapi data-data parameter termodinamika seperti tekanan

dan temperatur kerja motor stirling berhasil didapatkan dari alat ukur yang

ditempatkan pada beberapa bagian motor sirling.

7.2. Saran

Teori Schmidt merupakan teori yang menganalisis motor stirling

secara isothermal. Teori Schmidt yang dipergunakan dalam merancang motor

stirling ini masih banyak pengembangannya, diharapkan pada perancangan

selanjutnya dapat dicoba teori stirling yang dikembangkan oleh Urieli yang

dipublikasikan oleh Zig Herzog dalam websitenya yaitu http://www

.ent.ohiou.edu/~urieli/stirling/isothermal/isothermal.html. Selain teori

Schmidt yang berbasis isothermal ada juga metode lain yang juga dapat

dipergunakan dalam merancang sebuah motor stirling, yaitu metode ideal

adiabatik yang juga dipublikasikan oleh Zig Herzog di website yang sama.

Kemudian saran untuk percobaan menjalankan motor stirling

berikutnya, dapat ditambahkan perangkat kompresor untuk menyuntikkan

udara ke dalam silinder dingin agar tekanan di seluruh mesin dapar dijaga

Page 116: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Tugas Akhir 102

Anggit Yuliartono M | 2010

konstan. Selain itu material di dalam regenerator juga dapat diubah, pada

penelitian ini material yang digunakan dalam regenerator digunakan steel

wool, untuk menggantikan steel wool, dapat dipergunakan bola-bola baja,

agar mempunyai thermal capacitance yang cukup besar.

Page 117: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

xiii

DAFTAR PUSTAKA

1. Maleev, V.L : Internal Combustion Engines –Theory and Design ,2nd edition,

McGraww-Hill Book Company,Inc.,London, 1945

2. Arismunandar, Wiranto, Motor Bakar Torak, PT. Pradnya Paramita,

Bandung, 1987

3. Incropera, Frank, Dewitt , H . Fundamentals of Heat Transfer . John Wiley

and Sons, Inc . New York, USA . 2000

4. Moran, Michael . Shapiro, N. Howard . Fundamentals of Thermodynamics

Engineering 4th Edition . John Wiley and Sons, Inc . New York, USA . 2000

5. Kosasih . Perancangan dan Pembuatan Mesin Stirling Sejajar Dengan

Kapasitas Daya 1 kW. Itenas . Bandung . 1999

6. Stirling energy system, SES . 2008 . Solar Two . diakses tanggal 15 November

2008 dari http://www.stirlingenergy.com/projects/default.asp

7. Maier, Cristpoh . Stirling engine . University of Gavle . 2007

8. Power from the Sun. (2008). Power Cycles for Electricity Generation. diakses

12 Oktober 2008 dari http://www.powerfromthesun.net/chapter12/Chapter

12new.htm#12.3.1%20%20%20%20%20Stirling%20Engines

9. Fette, Peter . How Does Stirling Engine Work.. diakses 9 Februari 2009 dari

http://www.stirling-fette.de/howdoes.htm#A0#A0

10. Khirata, Koichi . Bekkoame Home Page, Schmidt theory for Stirling engines .

Stirling engine home page [online]. diakses tanggal 28 Juli 2009. dari :

http://www.bekkoame.ne.jp/_khirata

Page 118: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

xiv

11. Herzog, Zig . Schmidt Theory . Diakses pada tanggal 30 Agustus 2009 dari

http://www.ent.ohiou.edu/~urieli/stirling/ engines/engines.html 12. I.M. Yusof, N.A. Farid, Z.A. Zainal, G.B. Horizon, K. Noriman and A.

Miskam . Preliminary Investigation of a Converted Four-Stroke Diesel to

Alpha V-Shaped Stirling Engine . Asian Journal of Applied Sciences . 2009 13. Halit, KARABULUT . H¨useyin Serdar, Y¨UCESU . 1998 . Manufacturing

and Testing of a V-Type Stirling Engine . Ankara : TUBITAK

14. Martini, William . M . Stirling Engine Design Manual 2nd Edition .

University of Washington, Prepared for NASA . Washington D.C . 1978.

15. Urieli, Israel and Berchowitz, David M. , Stirling Cycle Engine Analysis

Adam Hilger Ltd, Bristol 1984; ISBN 0-85274-435-8

Page 119: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

xv

L A M P I R A N

Page 120: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

xvi

Foto – Foto Motor Stirling Yang Dibuat Dan Diuji

Page 121: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

SCALE:1:2,5

A4

C

WEIGHT:

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6

DRAWN

CHK'D

DWG NO.

TITLE:

REVISIONDO NOT SCALE DRAWING

MATERIAL:

APPV'D

MFG

LINEAR:

Q.A

ANGULAR:

FINISH:

TOLERANCES:

EDGES

NAME SIGNATURE DATE

UNLESS OTHERWISE SPECIFIED:

DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS

SURFACE FINISH:

DEBUR AND

BREAK SHARP

Assembly all

Page 122: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

79

79

64

8, 4 holesthrough

64

A A

SECTION A-A

53

7

59

43

10

21

56,6

651

0

63

Q.A

MFG

APPV'D

CHK'D

C

2 31 4

B

A

D

E

F

HOT CYLINDER BLOCK

WEIGHT:

A4

SCALE:1:1

DWG NO.

TITLE:

REVISIONDO NOT SCALE DRAWING

MATERIAL:

ANGULAR:

FINISH:

SIGNATURENAME

BREAK SHARP

DATE

EDGES

DEBUR AND UNLESS OTHERWISE SPECIFIED:

DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS

SURFACE FINISH:

TOLERANCES:

LINEAR:

DRAWN

Page 123: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Q.A

MFG

APPV'D

CHK'D

C

2 31 4

B

A

ANGULAR:

F

Cold Cylinder

BREAK SHARP

Block

WEIGHT:

A4

SCALE:1:2

DWG NO.

TITLE:

REVISIONDO NOT SCALE DRAWING

MATERIAL:

D

FINISH:

SIGNATURENAME

E

DATE

EDGES

DEBUR AND UNLESS OTHERWISE SPECIFIED:

DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS

SURFACE FINISH:

TOLERANCES:

LINEAR:

DRAWN

SECTION E-E

53

6

38

3

22

63

10

79

56,6

59

65

79

8 (4 holes)

EE

Page 124: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

8

1650

79

79

39

,50

0

2R

39,500

5 4 3 2

DO NOT SCALE DRAWING

Hot Cylinder Head

SHEET 1 OF 1

UNLESS OTHERWISE SPECIFIED:

SCALE: 1:2 WEIGHT:

REVDWG. NO.SIZE

TITLE:

NAME DATE

COMMENTS:

Q.A.

MFG APPR.

ENG APPR.

CHECKED

PROHIBITED.

INTERPRET GEOMETRIC

DRAWN

TWO PLACE DECIMAL

NEXT ASSY

THREE PLACE DECIMAL

FINISH

PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL

USED ON

MATERIAL

APPLICATION

BEND

TOLERANCING PER:

DIMENSIONS ARE IN INCHES

TOLERANCES:

FRACTIONAL

ANGULAR: MACH

THE INFORMATION CONTAINED IN THIS

DRAWING IS THE SOLE PROPERTY OF

<INSERT COMPANY NAME HERE>. ANY

REPRODUCTION IN PART OR AS A WHOLE

WITHOUT THE WRITTEN PERMISSION OF

<INSERT COMPANY NAME HERE> IS

1

10

22,22216

20

78

50

25

Page 125: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

SECTION A-A1

0

79

16

83

9,5

0

79

39,50

AA

5 4 3 2

DO NOT SCALE DRAWING

Cold Cylinder Head

SHEET 1 OF 1

UNLESS OTHERWISE SPECIFIED:

SCALE: 1:2 WEIGHT:

REVDWG. NO.SIZE

TITLE:

NAME DATE

COMMENTS:

Q.A.

MFG APPR.

ENG APPR.

CHECKED

PROHIBITED.

INTERPRET GEOMETRIC

DRAWN

TWO PLACE DECIMAL

NEXT ASSY

THREE PLACE DECIMAL

FINISH

PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL

USED ON

MATERIAL

APPLICATION

BEND

TOLERANCING PER:

DIMENSIONS ARE IN INCHES

TOLERANCES:

FRACTIONAL

ANGULAR: MACH

THE INFORMATION CONTAINED IN THIS

DRAWING IS THE SOLE PROPERTY OF

<INSERT COMPANY NAME HERE>. ANY

REPRODUCTION IN PART OR AS A WHOLE

WITHOUT THE WRITTEN PERMISSION OF

<INSERT COMPANY NAME HERE> IS

1

Page 126: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

150

34

12

69

150

69

5

5 4 3 2

DO NOT SCALE DRAWING

FRONT COVER

SHEET 1 OF 1

UNLESS OTHERWISE SPECIFIED:

SCALE: 1:2 WEIGHT:

REVDWG. NO.SIZE

TITLE:

NAME DATE

COMMENTS:

Q.A.

MFG APPR.

ENG APPR.

CHECKED

PROHIBITED.

INTERPRET GEOMETRIC

DRAWN

TWO PLACE DECIMAL

NEXT ASSY

THREE PLACE DECIMAL

FINISH

PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL

USED ON

MATERIAL

APPLICATION

BEND

TOLERANCING PER:

DIMENSIONS ARE IN INCHES

TOLERANCES:

FRACTIONAL

ANGULAR: MACH

THE INFORMATION CONTAINED IN THIS

DRAWING IS THE SOLE PROPERTY OF

<INSERT COMPANY NAME HERE>. ANY

REPRODUCTION IN PART OR AS A WHOLE

WITHOUT THE WRITTEN PERMISSION OF

<INSERT COMPANY NAME HERE> IS

1

Page 127: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

57

26

SHEET 1 OF 1

A4

C

WEIGHT:

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6

DRAWN

CHK'D

REVISION

DWG NO.

TITLE:

DO NOT SCALE DRAWING

SCALE:1:1

APPV'D

MFG

LINEAR:

Q.A

ANGULAR:

FINISH:

TOLERANCES:

EDGES

NAME SIGNATURE DATE

MATERIAL:

UNLESS OTHERWISE SPECIFIED:

DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS

SURFACE FINISH:

DEBUR AND

BREAK SHARP

CRANKSHAFT PIN

Page 128: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

14

7

14

SCALE:1:1

A4

C

WEIGHT:

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6

DRAWN

CHK'D

DWG NO.

TITLE:

REVISIONDO NOT SCALE DRAWING

MATERIAL:

APPV'D

MFG

LINEAR:

Q.A

ANGULAR:

FINISH:

TOLERANCES:

EDGES

NAME SIGNATURE DATE

UNLESS OTHERWISE SPECIFIED:

DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS

SURFACE FINISH:

DEBUR AND

BREAK SHARP

Connecting Rod

43

92

13

17

18

13

15

33

R

R25

Page 129: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

SCALE:1:1

A4

C

WEIGHT:

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6

DRAWN

CHK'D

DWG NO.

TITLE:

REVISIONDO NOT SCALE DRAWING

MATERIAL:

APPV'D

MFG

LINEAR:

Q.A

ANGULAR:

FINISH:

TOLERANCES:

EDGES

NAME SIGNATURE DATE

UNLESS OTHERWISE SPECIFIED:

DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS

SURFACE FINISH:

DEBUR AND

BREAK SHARP

PISTON

51

22

SECTION A-A

13

20

39

34

11

A

A

Page 130: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

48R

26

56

SHEET 1 OF 1

A4

C

WEIGHT:

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6

DRAWN

CHK'D

SCALE:1:2

DWG NO.

TITLE:

REVISIONDO NOT SCALE DRAWING

APPV'D

MFG

LINEAR:

Q.A

ANGULAR:

FINISH:

TOLERANCES:

EDGES

NAME SIGNATURE DATE

MATERIAL:

UNLESS OTHERWISE SPECIFIED:

DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS

SURFACE FINISH:

DEBUR AND

BREAK SHARP

CRANKSHAFT

27

14

25

32

15

19

13

15 28

20

19

,3

13

Page 131: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

5 4 3 2

DO NOT SCALE DRAWING

Bearing House

SHEET 1 OF 1

UNLESS OTHERWISE SPECIFIED:

SCALE: 1:1 WEIGHT:

REVDWG. NO.SIZE

TITLE:

NAME DATE

COMMENTS:

Q.A.

MFG APPR.

ENG APPR.

CHECKED

PROHIBITED.

INTERPRET GEOMETRIC

DRAWN

TWO PLACE DECIMAL

NEXT ASSY

THREE PLACE DECIMAL

FINISH

PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL

USED ON

MATERIAL

APPLICATION

BEND

TOLERANCING PER:

DIMENSIONS ARE IN INCHESTOLERANCES:

FRACTIONALANGULAR: MACH

THE INFORMATION CONTAINED IN THIS

DRAWING IS THE SOLE PROPERTY OF

<INSERT COMPANY NAME HERE>. ANY

REPRODUCTION IN PART OR AS A WHOLE

WITHOUT THE WRITTEN PERMISSION OF

<INSERT COMPANY NAME HERE> IS

1

34

33,137

33

,13

7

52

14

Page 132: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

25,500

11

68

12 4 Holes

10,500

85

R85

ANGULAR:

FINISH:

TOLERANCES:

EDGES

NAME SIGNATURE DATE

MATERIAL:

DO NOT SCALE DRAWING REVISION

TITLE:

DWG NO.

SCALE:1:1 SHEET 1 OF 1

A4

C

WEIGHT:

B

C

D

Q.A

MFG

APPV'D

CHK'D

DRAWN

1 2

LINEAR:

A

321 4

B

A

5 6

UNLESS OTHERWISE SPECIFIED:

DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS

SURFACE FINISH:

DEBUR AND

BREAK SHARP

PILLOW BLOCK

Page 133: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

A

40

6

85

95 (Bahan)

75

C

55

SHEET 1 OF 1

A4

C

WEIGHT:

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6

DRAWN

CHK'D

SCALE:1:3

DWG NO.

TITLE:

REVISIONDO NOT SCALE DRAWING

APPV'D

MFG

LINEAR:

Q.A

ANGULAR:

FINISH:

TOLERANCES:

EDGES

NAME SIGNATURE DATE

MATERIAL:

UNLESS OTHERWISE SPECIFIED:

DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS

SURFACE FINISH:

DEBUR AND

BREAK SHARP

Crankcase

B

81

75

81

81

150

15

0

75

81

Page 134: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

C

WEIGHT:

LINEAR:

BREAK SHARP

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6

DRAWN

CHK'D

SCALE:1:2

DWG NO.

TITLE:

REVISIONDO NOT SCALE DRAWING

APPV'D

MFG

A4Q.A

ANGULAR:

FINISH:

TOLERANCES:

EDGES

NAME SIGNATURE DATE

MATERIAL:

UNLESS OTHERWISE SPECIFIED:

DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS

SURFACE FINISH:

DEBUR AND

Assembly Piston &Conecting Rod

Page 135: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

C

WEIGHT:

LINEAR:

BREAK SHARP

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6

DRAWN

CHK'D

SCALE:1:2

DWG NO.

TITLE:

REVISIONDO NOT SCALE DRAWING

APPV'D

MFG

A4Q.A

ANGULAR:

FINISH:

TOLERANCES:

EDGES

NAME SIGNATURE DATE

MATERIAL:

UNLESS OTHERWISE SPECIFIED:

DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS

SURFACE FINISH:

DEBUR AND

Assembly Hot Cylinder Block

Page 136: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

C

WEIGHT:

LINEAR:

BREAK SHARP

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6

DRAWN

CHK'D

SHEET 1 OF 1SCALE:1:5

DWG NO.

TITLE:

REVISION

APPV'D

MFG

A4Q.A

ANGULAR:

FINISH:

TOLERANCES:

EDGES

NAME SIGNATURE DATE

MATERIAL:

DO NOT SCALE DRAWINGUNLESS OTHERWISE SPECIFIED:

DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS

SURFACE FINISH:

DEBUR AND

Assembly Cold Cylinder Block

Page 137: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

SCALE:1:2

A4

C

WEIGHT:

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6

DRAWN

CHK'D

DWG NO.

TITLE:

REVISIONDO NOT SCALE DRAWING

MATERIAL:

APPV'D

MFG

LINEAR:

Q.A

ANGULAR:

FINISH:

TOLERANCES:

EDGES

NAME SIGNATURE DATE

UNLESS OTHERWISE SPECIFIED:

DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS

SURFACE FINISH:

DEBUR AND

BREAK SHARP

Assembly Crankshaft

Page 138: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

Q.A

MFG

APPV'D

CHK'D

C

2 31 4

B

A

ANGULAR:

F

Assembly Regenerator

BREAK SHARP

& Pipe

WEIGHT:

A4

SHEET 1 OF 1SCALE:1:5

DWG NO.

TITLE:

REVISIONDO NOT SCALE DRAWING

MATERIAL:

D

FINISH:

SIGNATURENAME

E

DATE

EDGES

DEBUR AND UNLESS OTHERWISE SPECIFIED:

DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS

SURFACE FINISH:

TOLERANCES:

LINEAR:

DRAWN

Page 139: THERMODYNAMIC DESIGN AND TESTING OF AN ALPHA (α) STIRLING ENGINE PROTOTYPE WITH V – 90 CONFIGURATION

WEIGHT:

LINEAR:

BREAK SHARP

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6

DRAWN

CHK'D

APPV'D

A4

SHEET 1 OF 1SCALE:1:20

DWG NO.

TITLE:

MFG

Q.A

C

ANGULAR:

FINISH:

TOLERANCES:

EDGES

NAME SIGNATURE DATE

MATERIAL:

DO NOT SCALE DRAWING REVISIONUNLESS OTHERWISE SPECIFIED:

DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS

SURFACE FINISH:

DEBUR AND

Petunjuk Perakitan