BAB I

PENDAHULUAN

A. Laatar Belakang

Isu kenaikan harga dan kelangkaan bahan bakar memaksa para ilmuwan memikirkan cara pembuatan mesin yang hemat bahan bakar. Sistem engine yang banyak digunakan sejumlah pabrik dalam menjalankan mesin sekarang ini dinilai banyak pihak kurang efisien dan boros bahan bakar. Selain itu juga menyebabkan polusi udara yang memicu pemanasan global (Sinar Harapan, 2001).

Dalam usaha meningkatkan konversi yang bisa didapat dari perubahan energi panas menjadi kerja, mesin stirling memiliki potensi untuk mencapai efisiensi tertinggi dari semua mesin kalor, secara teori sampai efisiensi maksimal mesin Carnot, meskipun dalam prakteknya usaha ini masih dibatasi oleh berbagai sifat-sifat non-ideal baik itu dari fluida kerjanya maupun bahan dari mesin itu sendiri, seperti gesekan, konduktivitas termal dan titik lebur.

Mesin stirling dapat dioperasikan melalui berbagai sumber panas, seperti tenaga matahari, kimia maupun nuklir. Dibandingkan dengan mesin pembakaran internal, mesin Stirling memiliki potensi untuk lebih efisien, lebih tenang, dan lebih mudah perawatannya.

Mengingat mesin stirling ini sangat berpotensi untuk dikembangkan maka penulis merasa perlu untuk mengkaji lebih jauh tentang apa itu mesin stirling dan bagaimana prinsip kerjanya.

B. Rusmusan Masalah

Berdasarkan uraian latar belakang diatas maka dapat dirumuskan masalah yang akan penulis kaji sebagai berikut :

1. Apakah yang dimaksud mesin stirling?

2. Bagaimanakah sejarah perkembangan mesin stirling?

3. Bagaimanakah prinsip kerja mesin stirling?

4. Apa kelebihan mesin stirling?

C. Tujuan

Tujuan makalah ini adalah :

1. Mengetahui apa yang dimaksud mesin stirling

2. Mengetahui bagaimana sejarah perkembangan mesin stirling

3. Mengetahui bagaimana prinsip kerja mesin stirling

4. Mengetahui apa saja kelebihan dan kekurangan mesin stirling

D. Manfaat

Penulis berharap makalah ini dapat memberikan informasi tentang apa itu mesin stirling, bagaimana sejarahnya, prinsip kerjanya dan apa saja kelebiahan dan kekurangannya. Sehinggga dapat dijadikan referensi untuk penulisan lebih lanjut.

BAB II

ISI

A. Mesin Stirling

Dalam keluarga mesin kalor, Mesin Stirling didefinisikan sebagai mesin regenerasi udara panas siklus tertutup. Dalam konteks ini, siklus tertutup berarti bahwa fluida kerjanya secara permanen terkurung di dalam sistem, di mana mesin siklus terbuka seperti mesin pembakaran internal dan beberapa mesin uap, menukarkan fluida kerjanya dengan lingkungan sekitar sebagai bagiaan dari siklus kerja. Regenerasi berarti bahwa adanya penggunaan alat penukar panas internal, yang dapat meningkatkan efisiensi mesin. Banyak sekali kemungkinan dari penggunaan mesin stirling ini, dengan mayoritas masuk ke kategori mesin dengan piston tolak balik. Mesin stirling secara tradisional diklasifikasikan ke dalam mesin pembakaran eksternal, meskipun panas bisa didapatkan dari sumber selain pembakaran seperti tenaga matahari maupun nuklir. Mesin stirling beroperasi melalui penggunaan sumber panas eksternal dan heat sink eksternal, masing-masing dijaga agar memiliki perbedaan temperatur yang cukup besar.

B. Sejarah Perkembangan Mesin Stirling

Mesin stirling ditemukan tahun 1816 oleh Robert Stirling (1790-1878). Saat itu disebut mesin udara dengan model mesin pembakaran luar siklus tertutup. Dia mematenkan temuan itu pada 27 September 1816 dan berlaku efektif 20 Januari 1817 atau ketika dia baru berumur 26 tahun.

Prinsip kerja secara teoretis dikembangkan George Cayley dari Inggris 20 tahun lebih awal. Istilah mesin stirling dipopulerkan kali pertama kali oleh Rolf Meijer untuk menjelaskan semua tipe mesin gas regeneratif siklus tertutup.

Perkembangan produksi mesin stirling dibawa J Ericsson, penemu dan insinyur berkewarganegaraan Swedia. Dia berhasil dalam fabrikasi mesin stirling dan menjual hingga 2.000 unit mesin ukuran 0.5-5 hp sekitar tahun 1850 di Inggris dan Amerika.

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 sembilanbelas sampai sekitar tahun 1920, yaitu ketika mesin pembakaran internal dan motor listrik mulai menggantikannya.

Mesin dengan udara panas (hot-air machine) dikenal karena cara kerjanya yang mudah, kemampuannya menggunakan berbagai jenis bahan bakar; selain itu operasinya aman, tidak berisik, efisiensinya memadai (moderate) , stabil dan rendah biaya perawatannya. Kekurangannya adalah ukurannya yang sangat besar namun daya keluarannya (output) kecil dan harganya 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 dipasaran pada waktu itu yang harganya jauh lebih murah.

Setelah itu, banyak mesin stirling dibuat dengan output dan efisiensi lebih tinggi. Mesin stirling mendapat perhatian kembali tahun 1940-an setelah Philips Co mulai mengembangkan mesin stirling sebagai pembangkit listrik portabel. Mesin itu juga diteliti sebagai refrigerator dan sukses mendinginkan sampai suhu 74 K.

Penemuan baru baja tahan karat (stainless steel) dan berkembangnya pengetahuan pada proses mesin termodinamik yang kompleks, mengawali temuan mesin-mesin baru, menjelang dan sesudah perang Dunia ke II. Desain mesin udara panas 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 menggunakan sistem mesin yang sangat sederhana ini untuk umpamanya pada mesin otomotif yang canggih, sistem pembangkit daya (listrik,dll, bukan untuk daya dorong primer) pada pesawat ruang angkasa dll.

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.

Mesin Stirling generasi baru ini jauh lebih kuat, lebih efisien, tidak berisik, mudah penggunaannya, dan memiliki daya tahan yang lebih tinggi, serta mudah diproduksi secara massal. Digunakan antara lain untuk mesin pembangkit listrik, mesin pendingin, mesin pompa dll.

Setelah itu mesin stirling diteliti secara luas di seluruh dunia. Kebijakan penghematan energi pun meningkatkan pengembangannya. Beberapa mesin dengan efisiensi tinggi dikembangkan. Saat ini, mesin stirling dengan berbagai sumber energi dikembangkan para peneliti di dunia. Pada masa datang, kita bisa melihat mesin stirling yang berkebisingan rendah, tahan lama, andal, operasi multibahan bakar, gas buang bersih, dan lain-lain. Beberapa perusahaan juga mendesain mesin stirling dengan helium sebagai gas kerja (konduktivitas lebih baik daripada udara).

C. Prinsip Kerja

Prinsip Kerja Mesin stirling adalah mesin kalor yang unik karena efisiensi teoretisnya mendekati efisiensi teoretis maksimum, yang lebih dikenal dengan efisiensi mesin carnot. Mesin stirling digerakkan ekspansi gas ketika dipanaskan dan diikuti kompresi gas ketika didinginkan. Mesin itu berisi sejumlah gas yang dipindahkan antara sisi dingin dan panas terus-menerus. Piston displacer memindahkan gas antara dua sisi dan piston power mengubah volume internal karena ekspansi dan kontraksi gas.

Robert Stirling menyebut piston yang berpindah sebagai regenerator. Renegerator itu dapat membangkitkan kembali udara. Jika piston bergerak ke atas, regenerator dialirkan melalui udara hangat dan mengambil sebagian energi dari udara dan menyimpannya. Jika piston bergerak ke bawah, dialirkan melalui udara dingin dan mengeluarkan energi yang disimpan. Dengan regenerator, mesin stirling mencapai efisiensi sangat baik.

Sebuah regenerator memungkinkan panas yang dihasilkan disimpan di dalam, sebagian menggantikan energi panas karena sedikitnya alih panas yang dimungkinkan melalui dinding heat-exchanger. Energi panas disimpan di dalam regenerator sementara gas penggerak menyusup ke ruangan yang dingin, dan kemudian dilepaskan sewaktu kembali ke ruangan ekspansi panas. Tenaga terjadi pada temperatur yang tinggi dan konstan, sangat ideal untuk setiap mesin. Kompresi terjadi pada temperatur rendah, dan hampir tidak ada energi panas yang hilang. Tenaga bersih yang dihasilkan adalah akibat perbedaan antara pengembangan gas bertemperatur tinggi dan mengkompresi gas bertemperatur rendah.

Jenis - Jenis Mesin Striling

Mesin Stirling memiliki dua jenis yang dibedakan oleh cara mereka memindahkan udara antara sisi panas dan dingin dari silinder:

1. Dua piston alpha desain jenis memiliki