BAB IV PEMBAHASAN 4.1 PERANCANGAN PEMBANGKIT DAYA

41
BAB IV
PEMBAHASAN
4.1
PERANCANGAN PEMBANGKIT DAYA LISTRIK DENGAN SUHU
RENDAH STIRLING ENGINE
Mendapatkan output serta perhitungan efisiensi dari low power temperatur stirling
engine mengunakan panas kurang dari 100 derajat celcius dalam perancangan ini
menganalisa hasil terbaik jika dalam suhu sekitar di ruangan ber AC atau pun di ruangan
luar mendapatkan output dan efisiensi yang maksimal.
Cara kerja mesin pembangkit listrik stirling enging low power adalah dengan
memanfaatkan sifat dasar dari udara yang akan memuai jika di panaskan dan akan
menyusut jika di dinginkan. Dengan demikian akan terjadi siklus pemuaian dan
penyusutan menekan displacer sehingga akan memutar poros engkol suhu udara yang
memuai akan turun tetap akan meningkatkan daya putaran. Dari definisi diatas dapat
ditarik kesimpulan bahwa sebuah mesin stirling engine low power dengan panas
dibawah suhu 100 derajat akan bekerja jika terdapat perbedaan temperatur. Perbedaan
terperatur tersebut mengakibatkan adanya perbedaan dingin dan kemudian dilepaskan
sewaktu kembali keruang ekspansi. Kompresi terjadi pada temperatur rendah dan
hampir tidak ada energi panas yang hilang. Tenaga yang dihasilkan akibat perbedaan
antara pengembangan udara bertemperatur tinggi dan mengkompresi udara
bertemperatur rendah, kemudian menekan displacer dan menekan power piston
sehingga memutar roda gila. Siklus ini akan berulang secara terus menerus
menghasilkan putaran semakin lama putaran semakin cepat seiring perambatan panas
pada sisi panas dan memuaikan udara pada displacer putaran ini dimanfaatkan untuk
memutar generator sehingga menghasilkan arus listrik dibawah 1 ampere yang dapat
dimanfaatkan untuk alat yg berdaya rendah.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
42
4.2
SISTEM DAN KOMPONEN
Sistem dan komponen yang sangat berpengaruh dalam suatu sistem tertutup mesin
stirling
pendekatan sistem permasalahan dipandang sebagai sumber pemahaman
sistem, pada sistem ini variable status berupa jumlah kalor yang diserap gas dan jumlah
energi yang dilepaskan gas mengakibatkan terjadinya aktifitas dalam system tertutup
dimana karakteristik mesin stirling sebagai berikut :
Pendekatan untuk menjelaskan sistem relevan lingkungan input dan output
a. Observer
: Adalah penguji perancangan mesin stirling
b. Input
: Controlable aliran system pendingin uncontrollable, energy panas
yang diberikan menyesuaikan dengan lingkungan disekita, magnet
untuk membantu putaran akibat tolak menolak kutub
c. Purpose
: Mengetahui efisiensi mesin stirling
d. Output
: Putaran pada poros engkol, udara panas, energi listrik low power
akibat putaran pada kumparan
e. Komponen : Gas, power piston, displacer, carankshaft, kumparan, magnet
f. Variable
: Jumlah energi panas yang diserap oleh regenerator dan yang
dilepaskan dan jumlah energi magnet yang tolak menolak
4.3
PROSES PERANCANGAN ALAT
Adalah merancang sebuah pembangkit listrik stirling engine low power dengan magnet
permanen untuk membantu daya dari displacer mengetahui output serta efisiensi
pembangkit listrik low power digunakan sebagi charger. Perancangan menggunakan
gambar 2D dan 3D menggunakan apikasi gambar Solid work.
4.3.1
Proses Perancangan Pembangkit Daya dengan Sumber Tenaga Stirling
Engine
Proses mulai dari ide perancangan pembangkit daya dengan sumber tenaga magnet
stirling engine yaitu membuat pembangkit daya yang ramah lingkungan memanfaatkan
energi terbarukan dari energi panas. Energi panas banyak dilingkungan kita yang dapat
dimanfaatkan bahkan dari secangkir kopi panas.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
43
Energi panas yang terbuang dimanfaatkan menjadi energi gerak mekanik dan
energi gerak mekanik tersebut dirubah menjadi energi listrik adalah merupakan ide
utama penulis ingin sampaikan. Mulai dari mengumpulkan data, studi literatur baik dari
jurnal, karya tulis, internet yang berkaitan dengan Stirling engine, kemudian setelah data
terkumpul selanjutnya mencari referensi tentang alat alat yang dibutuhkan apakah ada
dipasaran atau kita dapat membuat sendiri. Adapun alat-alat yang diperlukan seperti
pelat stailess steel, piston, displacer, poros engkol, generator magnet DC.
4.3.2
Tahapan Konfigurasi dan layout mesin
Pada dasarnya perancangan Low deferential temperatur stirling engine masih mengacu
pada stirling LDT yang asli hanya dengan memodifikasi menggunakan pada penguatan
magnet pada displacer dimana prinsif kerjanya menguatkan perbedaan tekanan akibat
perbedaan suhu sedangkan magnet dengan kutub yang sama akan saling tolak menolak
menguatkan tekanan pada displacer sehingga torsi yang dihasilkan akan menekan torak
dan meneruskan pada poros engkol sehingga memutar roda gigi dan memutar elektro
motor menghasilkan energy listrik yang digunakan sebagai pengisi daya (charger).
Gambar 4.3 Housing LTD stirling engine
http://digilib.mercubuana.ac.id/
44
Gambar 4.3 menunjukan housing menggunakan material stainless steel tebal 1 mm
dengan tujuan agar penyerapan panas tersimpan sehingga perbedaan panas pada sisi
panas dan dingin terjaga.
4.3.3
Komponen pemanas
Sumber panas yang digunakan untuk menghasilkan energi yaitu dari panas
gelas/cangkir kopi dan alat pembangkit listrik low power stirling engine dengan penguat
magnet digunakan sebagai alas cangkir kopi sehingga panas merupakan konduksi atau
hantaran pada plat yang memanaskan gas/udara pada ruang diplacer dan udara yang
mengembang akan menekan displacer dan menggerakan piston, piston menggerakan
poros engkol dan terjadi siklus yang berulang
Gambar 4.4 Pelat penutup
http://digilib.mercubuana.ac.id/
45
Gambar 4.5 Housing
4.3.4
Penghitungan Jumlah Panas
Panas yang di gunakan sebagai sumber energi adalah panas dari cangkir kopi dan
merambat melalui pelat kemudian memuaikan udara di ruang displacer proses
pemanasan ini merupakan proses konveksi panas dipindahkan oleh molekul-molekul
yang bergerak (mengalir), oleh karena adanya dorongan bergerak disini kecepatan
gerakan (aliran) memegang peranan penting konveksi hanya terjadi pada fluida atau gas,
dalam hal ini digunakan koefisien muai tekanan (γV), yaitu bilangan yang menyatakan
pertambahan tekanan gas tiap satu satuan tekanan jika suhunya naik 1oC dengan volume
tetap.
Q = h x A x (T 2 – T 1)
(4.1)
h = koefisien perpindahan panas suatu lapisan fluida.
W/m2 K
Q = panas yang dipindahkan
W
A = luas perpindahan panas
m2
Dalam melaksanakan operasi perpindahan panas, perlu diperhitungkan :
•
jumlah panas yang dipindahkan (q)
•
perbedaan suhu (T)
•
tahanan terhadap perpindahan panas (R).
http://digilib.mercubuana.ac.id/
46
Q
= h x A x ( T 2 – T 1)
100
= h x 28,26 x (85 – 27)
h
= 1000 C – 273,15
28,26 x (850 C – 270 C)
= 1000 C – 273,15
28,26 x (580 C – 273,150)
= 0,0285 W/m2 K
h
Persamaan utama yg menghubungkan besaran – besaran diatas adalah :
q = A x (T2 – T1) / R = U x A x (T2 – T1)
(4.2)
q = jumlah panas yang dipindahkan
R = tahanan terhadap perpindahan panas
U = 1/R = Koefisien perpindahan panas keseluruhan, gabungan antara konduksi dan
konveksi (k.W / m2. C )
q = 28,26 x (850 C – 270 C)
= 6080.139 W
Harga U atau R tergantung pada :
a. Jenis zat (daya hantar)
b. Kecepatan aliran
c. Ada tidaknya kerak
Pada gas dalam ruang tertutup, perbandingan volume gas dengan suhu (Kelvin) dan
perbandingan antara tekanan gas dengan suhu (Kelvin) merupakan bilangan tetap.
4.3.5
Torsi
Momen atau disebut juga torsi dalam konsep fisika secara non formal dianggap sebagai
gaya rotasional (berputar). Analogi dari rotasi gaya, masa dan percepatan adalah torsi,
momen inersia dan percepatan angular.
Gaya yang bekerja dikali dengan jarak titik tengah benda adalah torsi. Sebagai
contoh gaya dari 2 newton yang bekerja sepanjang dua meter dari titik center
mengeluarkan torsi yang sama dengan satu newton yang bekerja di sepanjang 4 meter
dari titik center. Hal ini menandakan bahwa gaya dalam sebuah sudut pada sudut yang
http://digilib.mercubuana.ac.id/
47
tepat terhadap level lurus secara singkat bisa diartikan bahwa torsi segabai perkalian
silang gaya dengan jarak secara besaran vector ( Surya, 2004).
Gambar 4.6 Perhitungan gaya
F = gaya yang bekerja
a = jarak torak
b = jarak poros engkol
dimana r adalah vector dari axis putaran ke titik dimana gaya bekerja (F) disebut
vector gaya :
Torque = F. b sin ϴ - F b2 sin ϴ . cos ϴ
√a2. b2. Sin ϴ2
Torque = 1 x 1 sin 35 – 1 x 12 sin 35 x cos 35
√32. 12. Sin 352
= 0,57 x0,819
5,16
= 0,2055 N
http://digilib.mercubuana.ac.id/
48
4.3.6
Power piston
Power piston mirip dengan piston yang berada di mesin pembakaran internal piston
berfungsi untuk mengirimkan daya yang diciptakan oleh tekanan yang bekerja pada
displacer piston ke poros engkol dari mesin piston mendorong dengan cincin piston
untuk menjaga tekanan diferensial yang diperlukan di seluruh piston. Kriteria desain
untuk piston adalah ringan dan seimbang sempurna (ini adalah sebenarnya dicapai
dengan menyeimbangkan crankshaft), serta dibuat dari bahan cocok untuk digunakan
pada suhu desain. Dalam beberapa kasus ekspansi termal harus dianggap di mana piston
bahwa piston mengembang ke titik merebut dalam silinder.
Cincin piston bisa dibuat dari logam, karet atau bahan lain yang cocok. Mereka harus
mampu meredam terhadap perbedaan tekanan desain, yang biasanya cukup rendah
untuk Mesin Stirling. Dalam kebanyakan kasus beberapa bentuk pelumas digunakan
untuk mencegah gesekan berlebihan antara dinding silinder dan cincin piston, meskipun
perawatan harus dilakukan untuk memastikan bahwa sistem pelumasan berfungsi.
4.3.7
Poros Engkol
Umumnya poros engkol (crankshaft) seperti yang ditemukan dalam mesin pembakaran
dalam. Ini adalah poros berputar dengan engkol diimbangi dimana piston daya
terpasang melalui batang penghubung atau con-rod. Panjang engkol menentukan stroke
kekuatan piston. Semua tenaga yang dihasilkan mesin harus ditransfer ke poros engkol
(crankshaft) melalui tekanan yang bekerja pada piston.
Gambar 4.7 Poros engkol
http://digilib.mercubuana.ac.id/
49
4.4
GENERATOR DC
Generator magnet adalah alat untuk mengubah energi gerak mekanik menjadi energi
listrik. Pada generator DC magnet medan disebut startor sedangkan bagian kumparan
yang berputar disebut rotor. Generator DC pada perancangan pengisi daya
menggunakan energi magnet stirling engine di manfaatkan sebagai pembangkit listrik
memanfaatkan energi gerak dari mesin stirling. Dalam hal ini generator yang di gunakan
adalah generator yang ada di pasaran dengan spesifikasi D/V 12,0 RF 500TB14415
4.5
GAYA
Panas yang merambat melalui pelat kemudian memanaskan udara sehingga udara
berkembang dan mengkompresi displacer sehingga displacer bergerak karena gaya
tekan udara. Hal ini merupakan perubahan energi panas menjadi energi mekanik
menimbulkan gaya (F). Gaya dalam ilmu fisika adalah sesuatu yang dapat menyebabkan
benda yang mempunyai massa mengalami percepatan memiliki besaran dan arah yang
merupakan besaran vector gaya. Satuan yang digunakan dalam mengukur suatu gaya
adalah Newton (N).
Hukum kedua newton menyatakan bahwa sebuah benda dengan massa yang
konstan akan dipercepatsebanding dengangaya berat yang bekerja pada benda tersebut
dan berbanding terbalik dengan massanya (Surya,2004).
F=mxa
Dimana gaya Netto yang bekerja pada sebuah benda sebanding dengan laju
perubahan momentum yang dialaminya.
Mdv/d
Dalam ilmu fisika kecenderungan dalam mengukur suatu momentum energi dan
tekanan namun yang ada di masyarakat lebih dikenal dengan gaya walaupun sebenarnya
gaya tidak dapat diukur secara langsung kita ambil suatu contoh ketika kita menyentuh
kulit berapa gaya yang disebabkan oleh sentuhan tersebut sebenarnya yang diukur
bukanlah gaya lebih yang diukur adalah tekanan, contoh lain ukuran neraca pegas
http://digilib.mercubuana.ac.id/
50
mengukur ketegangan pegas bukan gaya yang disebabkan oleh pemberat atau pegass
tersebul dan lain sebagainya.
Dalam hal ini kita mendefinisikan gaya dalam hubungannya dengan percepatan
yang dialami benda standar yang diberikan ketika dilingkunagn sesuai. Gaya adalah
suatu aksi hasil dari reaksi yang menyebabkan benda bermassa bergerak dipercepatan
hasil reaksi mungkin saja diakibatkan oleh angkatan, dorongan atau tarikan. Percepatan
benda sebanding dengan penjumlahan vector seluruh gaya yang beraksi pada benda
dikenal sebagai gaya resultan (Surya, 2004).
Dalam benda yang diperluas gaya mungkin saja menyebabkan perputaran/
rotasi, deformasi atau kenaikan tekanan terhadap benda, efek rotasi dapat ditentukan
oleh torsi sementara deformasi dan tekanan ditentukan oleh stress yang diciptakan oleh
gaya dimana gaya ini bisa di ciptakan dari hasil pemuaian udara akibat energi panas
selain akibat dari aksi energi tarikan, dorongan atau angkatan.
Secara matematis gaya netto sama dengan laju perubahan momentum benda
dimana gaya beraksi, karena momentum adalah kuantitas vector dimana memiliki
besaran dan arah jadi gaya bisa disebut juga kuantitas vector.
4.6
DAYA
Yang dimaksud dengan daya yaitu laju energi yang bekerja per satuan waktu sehingga
dapat dirumuskan
P =W/t
Dimana :
P
: Daya
W
: Energi atau kerja
T
: waktu
Daya rata-rata adalah energi rata- rata yang dihantarkan persatuan waktu
sedangkan daya sesaat adalah batasan rata - rata ketika dalam selang waktu Δt
mendekati nilai nol jika laju transfer energi tetap karena pemanasan dalam ruang
tertutup, maka pada gas dalam ruang tertutup, perbandingan volume gas dengan suhu
http://digilib.mercubuana.ac.id/
51
(Kelvin) dan perbandingan antara tekanan gas dengan suhu (Kelvin) merupakan
bilangan tetap namun pemanasan bebas maka volume, suhu dan tekanan gas berubah
secara hukum Boyle - Gay lussac.
4.3
Dari penerapan rumus (4.3) jika dimasukan nilai nilai pada perancangan alat maka :
V = 3,14 x r2 x t
= 3,14 x 52 x 1
= 78,5 cm2
Maka : V1P1 = V2P2
T1
T2
78,5 x 1 = 78,5 x P2
80
28
0,98 = 78,5 x P2
28
P2 x 0,98 = 78,5
28
P2 = 2,8/ 0,98
P2 = 2,8 atm
http://digilib.mercubuana.ac.id/
52
4.7
MENENTUKAN KECEPATAN PULI
Puli dipasang pada poros utama yang berputar dan puli no 2 dipasang pada generator
dihubungkan dengan karet sabuk untuk memutar generator sehingga generator
menghasilkan energi listrik dalam hal ini perhitungan puli dan kecepatan putaran
sebagai berikut :
Pulley 2 = 12
mm
Pulley 1  = 10
mm
n2 = ? rpm
n1 = 15 rpm
Slip = 2%
mm
5
𝑑1 𝑛2
=
𝑑2 𝑛1
𝑛2 = 𝑑1
𝑛1
𝑥 2%
𝑑2
𝑛2 = 12
15
𝑥 0.98
10
n2 = 17,64 rpm
4.8
UJI COBA ALAT
Pengujian alat ini dilakukan dengan meletakan alat pada sumber panas segelas air yang
telah di didihkan hingga mencapai suhu yang diinginkan 100 0C pada sebuah gelas
kemudian alat diletakan di atas gelas tersebut diamkan beberapa saat sehingga panas
merambat melalui plat bawah. Setelah panas merambat kurang lebih 1 menit maka akan
memuaikan udara didalam ruang sisi panas dan menekan displacer, displacer akan
bergerak menekan udara di sisi dingin dan menggerakan power piston kemudian power
piston menekan poros engkol dan mengerakan roda. Roda akan berputar menggerakan
puli penggerak yang dihubungkan dengan karet ke puli penggerak pada generator akibat
http://digilib.mercubuana.ac.id/
53
gerak putar tadi maka generator akan membangkitkan arus yang mana arus tersebut
dimanfaatkan sebagai pengisi daya.
Gambar 4.8 Media sumber panas
Empat Tingkat stirling engine :
Gambar 4.9 Tingkat ekspansi
a. Tingkat Ekspansi
Mulai dengan udara panas yang menyebar pada plat menggerakan power piston keatas
akibat pemuaian udara yang menggerakan displacer.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
54
Gambar 4.10 Tingkat perpindahan
b. Tingkat perpindahan
Pergerakan (momentum) roda flywheel menggerakan displacer ke bawah memindahkan
udara hangat ke atas dan udara dingin ke akhir selinder.
Gambar 4.11 Tingkat kontraksi
c. Kontraksi
Selanjutnya mayoritas dari udara hangat berhubungan dengan pelat dingin atau disebut
juga sisi ruangan dingin dan ber kotraksi menggerser power piston ke bawah.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
55
Gambar 4.12 Tingkat Perpindahan
d. Momentum roda/Flaywheel menggerakan displacer ke atas memindahkan udara
dingin kembali kebawah udara panas dari selinder atau disebut juga sisi panas. Dari
pergerakan diatas terus berulang pase siklus mengakibatkan perputaran roda yang
dihubungkan dengan puli yang di hubungkan dengan karet pada puli generator.
Gambar 4.13 Alat yang di simpan pada sumber panas
http://digilib.mercubuana.ac.id/
56
Selama perbedaan sisi pelat panas dan sisi dingin terpaut jauh uji coba dilakukan selama
45 menit maka alat selalu berputar dan putaran diteruskan oleh puli memutar generator
menghasilkan energi listrik.
Tabel 4.14 hasil pengujian alat dengan suhu udara ber AC
No
Waktu
Suhu sisi panas Suhu sisi dingin
Arus listrik
Putaran
(menit)
(0 Celcius)
(0 Celcius)
(mA)
(rpm)
1.
00.00
98
28
3
30
2.
00.10
96
29,5
3
29,5
3.
00.15
95,5
30.8
2,8
28,7
4.
00.20
95
31,6
2.7
27,8
5.
00.25
94
32,7
2.5
27
6.
00.30
92,8
33
2,3
25,4
7.
00.35
90.9
34,3
2,0
23,8
8.
00.40
89,4
35,9
1,6
20
9.
00.45
87,3
36
0
19
http://digilib.mercubuana.ac.id/