Stirling Cycle Engine

Latar Belakang

Mesin adalah mesin yang mengubah energi menjadi pekerjaan yang berguna:pembakaran batu bara untuk memutar poros penggerak generator pembangkit listrik, misalnya. Mesin yang paling umum dalam produksi saat ini adalah mesin mobil bertenaga bensin. Mesin umum lainnya adalah mesin diesel yang digunakan pada truk berat dan beberapa mobil penumpang, turbin uap yang menghasilkan listrik di pembangkit listrik, mesin jet yang digunakan untuk menggerakkan pesawat, dan mesin bensin dua langkah yang digunakan untuk memberi daya pada peralatan yang lebih kecil seperti mesin pemotong rumput. Masing-masing mesin ini mengubah panas yang dihasilkan dengan membakar bahan bakar fosil menjadi pekerjaan yang bermanfaat.

Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Kedua besaran tersebut berkaitan dan memiliki satuan yang sama, tetapi energi tidak dapat sepenuhnya diubah menjadi usaha. Jika digunakan untuk bahan bakar kompor, misalnya, 1 gal (3,8 1) bensin mengandung energi kimia yang cukup untuk merebus kira-kira 14 galon (53 1) air dalam kondisi standar. Namun, jika galon bensin yang sama itu dimasukkan ke dalam generator portabel (yang akan mengubah bensin menjadi kerja dan kemudian kerja menjadi listrik) dan jika listrik kemudian digunakan untuk merebus air di atas kompor listrik, kecil kemungkinannya lebih dari 3 galon (11,4 1) air dapat direbus sebelum generator kehabisan bahan bakar.

Alasan kompor listrik tidak dapat merebus air sebanyak kompor berbahan bakar bensin adalah karena mesin tidak 100% efisien secara termal dalam mengubah panas menjadi kerja—efisiensi termal yang berarti jumlah kerja berguna yang dihasilkan dibagi dengan energi yang diberikan ke mesin. Itu sebabnya rentang gas atau pengering pakaian lebih murah untuk dioperasikan daripada alat listrik yang setara. Dalam kasus generator portabel, sebagian energi bensin akan berakhir di gas buang mesin, beberapa akan terbuang untuk memanaskan generator, dan beberapa akan terbuang secara internal saat bagian yang bergerak di dalam generator digosok bersama mengubah energi mekanik menjadi panas gesekan.

Ilmu yang mempelajari bagaimana panas didaur ulang dalam mesin untuk menghasilkan kerja disebut termodinamika, dari bahasa Yunani therme (panas) dan dinamis (kekuatan). Siklus yang mengubah panas menjadi kerja disebut siklus termodinamika. Sebuah mesin mobil berbahan bakar bensin menggunakan Siklus Otto. Sebuah mesin berbahan bakar diesel menggunakan Siklus Diesel. Sebuah mesin uap, atau pembangkit listrik tenaga uap, menggunakan Siklus Rankine. Tak satu pun dari siklus ini dapat digunakan untuk sepenuhnya mengubah energi menjadi kerja. Ini karena semuanya harus membuang panas ke lingkungan. Pembangkit listrik atau mesin uap harus mengembunkan uap untuk mengirim air kembali ke boiler (kehilangan energi). Sebuah mesin mobil harus membuang gas buang panas, yang mengandung sejumlah besar energi, keluar dari knalpot. Siklus praktis yang paling efisien secara termal untuk mengubah panas menjadi kerja adalah Siklus Stirling. Siklus Stirling adalah mesin yang paling efisien secara termal karena ia membuang (atau menolak) panas paling sedikit ke lingkungan untuk jumlah kerja yang dihasilkannya dari mesin apa pun. Mesin yang menggunakan Siklus Stirling dikenal sebagai mesin Siklus Stirling. Mesin Stirling Cycle dapat digunakan untuk menggerakkan mobil, truk, atau pesawat terbang, atau untuk menghasilkan listrik. Ini akan melakukan pekerjaan ini dengan masukan energi yang lebih sedikit daripada yang dapat dilakukan oleh mesin Otto, Diesel, atau Rankine Cycle yang sebanding.

Sejarah

Mesin praktis pertama adalah mesin uap yang dipatenkan oleh James Watt pada tahun 1769. Mesin Watt mengubah energi menjadi kerja menggunakan uap dari ketel berbahan bakar batubara. Mesin Watt terdiri dari boiler, piston yang terdapat dalam silinder, kondensor berpendingin air, pompa air, pemipaan dan saluran untuk memindahkan air dan uap di sekitar mesin, dan tautan yang mengubah gerakan naik turun piston menjadi gerakan melingkar pada poros penggerak. Poros penggerak dapat digunakan untuk sejumlah kegunaan, seperti menyalakan pabrik atau memompa air keluar dari tambang batu bara.

Mesin Watt menggunakan siklus termodinamika empat langkah untuk menciptakan kerja. Siklus dimulai dengan pembukaan katup untuk memungkinkan uap di bawah tekanan mengalir ke dalam silinder. Saat uap mengembang di dalam silinder, itu menekan piston, menghasilkan kerja yang berguna. Ketika piston mencapai bagian bawah silinder, katup yang memungkinkan uap masuk ke silinder ditutup dan katup antara silinder dan kondensor terbuka. Karena kondensor berada pada tekanan yang jauh lebih rendah daripada silinder, itu benar-benar menyedot uap ke atas ke dalam kondensor. Saat uap ditarik keluar dari silinder, piston ditarik bersama dengan uap, mengembalikan piston ke lokasi awal di mana ia siap untuk menciptakan lebih banyak pekerjaan. Setelah uap di kondensor sepenuhnya diubah kembali menjadi air, air dipompa kembali ke boiler di mana ia diubah kembali menjadi uap, menyelesaikan siklus.

Inefisiensi termal dalam siklus ini adalah bahwa masih ada banyak energi yang tersisa dalam uap ketika dikirim ke kondensor. Namun, hampir tidak ada energi ini yang dapat diperoleh kembali karena uap tidak dapat dipompa kembali ke boiler tanpa melakukan banyak pekerjaan di dalamnya; seringkali lebih banyak bekerja daripada panas yang hilang di kondensor. Uap harus diubah menjadi air sebelum dapat dipompa ke boiler. Dengan demikian, banyak panas yang dipasok oleh batubara yang terbakar hilang.

Mesin uap memungkinkan dunia industri modern, tetapi bukan tanpa kekurangan. Pencampuran air dingin dan uap dalam hubungannya dengan metalurgi primitif menyebabkan ledakan boiler yang sering. Akibat hilangnya nyawa adalah faktor pendorong yang mendorong Pendeta Robert Stirling (selain menjadi salah satu insinyur terkemuka pada zamannya, ia juga seorang pendeta Gereja Skotlandia yang ditahbiskan) untuk mengembangkan mesin yang menggunakan udara. bukannya uap untuk menggerakkan pistonnya. Sebagai produk sampingan, mesin Stirling jauh lebih efisien secara termal daripada mesin Watt, terutama karena tidak memerlukan uap yang terkondensasi selama siklus. Meskipun mesin Stirling jauh lebih aman, teknologi saat itu tidak memungkinkan pembuatan mesin Stirling lebih dari beberapa tenaga kuda (kilowatt).

Mesin Stirling tidak pernah berhasil di abad kesembilan belas. Bahan bakar fosil berlimpah dan metalurgi meningkat ke titik di mana mesin uap tidak lagi berbahaya. Dengan demikian, keuntungan efisiensi termal yang melekat dari Siklus Stirling tidak cukup sebagai motivator untuk mengatasi tantangan desain signifikan yang dihadapi para insinyur yang ingin membangun mesin Siklus Stirling yang lebih kuat. Pada abad kedua puluh, mesin pembakaran internal—berjalan dengan Siklus Otto—mendominasi dunia industri karena biaya pembuatannya lebih murah daripada mesin Siklus Stirling dan karena bahan bakar fosil masih cukup terjangkau dan berlimpah. Namun, perancang mesin tidak pernah lupa bahwa Siklus Stirling adalah siklus termodinamika yang paling efisien secara termal dan terus merancang mesin yang menggunakannya. Saat ini, mesin Siklus Stirling digunakan untuk memproduksi sebagian besar udara cair yang dibuat di laboratorium penelitian. Mereka juga digunakan dalam satelit cuaca dan mata-mata dan oleh Angkatan Laut Swedia untuk memberi daya pada beberapa kapal selamnya.

Bahan Baku

Mesin Siklus Stirling dapat dibuat dari berbagai logam. Blok mesin biasanya terbuat dari besi cor ulet atau paduan aluminium cor (aluminium dan silikon, biasanya). Banyak bagian internal (engkol dan piston) juga dibuat dari besi tuang atau aluminium, tetapi beberapa komponen yang memerlukan kekuatan lebih tinggi dapat dibuat dari baja perkakas S-7 berkekuatan tinggi. Gasket dan segel terbuat dari Lexan, Neoprene, atau karet alam. Mesin diisi dengan helium atau udara bertekanan, yang disebut sebagai fluida kerja. Komponen yang memindahkan panas dari sumber panas ke fluida kerja diperlukan untuk menahan suhu yang sangat tinggi dan konstan. Itu dapat dibuat dari baja berkekuatan tinggi atau bahan komposit keramik seperti silikon karbida (SiC).

Desain

Desain mesin Stirling Cycle adalah perpaduan kompleks termodinamika, analisis perpindahan panas, analisis getaran, dinamika mekanik, kekuatan material, dan desain mesin. Termodinamika digunakan untuk mengukur mesin dan memilih suhu di mana ia akan beroperasi. Analisis perpindahan panas diperlukan untuk menentukan bagaimana panas akan dipindahkan dari sumber panas ke fluida kerja dan bagaimana komponen mesin akan dirancang untuk menahan aliran panas ini. Analisis getaran digunakan untuk menyeimbangkan mesin untuk kelancaran operasi. Dinamika mekanik diperlukan untuk menghitung tegangan induksi pada masing-masing komponen mesin. Analisis kekuatan bahan diperlukan untuk menentukan ukuran masing-masing komponen dalam mesin sehingga dapat menahan tegangan induksi. Desain mesin diperlukan untuk menerjemahkan siklus termodinamika menjadi mesin yang bekerja. Masing-masing persyaratan desain ini melibatkan sejumlah besar analisis.

Mesin Stirling Cycle mirip dengan mesin uap. Keduanya memiliki piston dan silinder, dan keduanya merupakan mesin pembakaran luar karena pembakaran bahan bakar terjadi di luar mesin. Perbedaan utama pertama antara kedua mesin adalah bahwa mesin Siklus Stirling menggunakan gas (biasanya udara, hidrogen, atau helium) alih-alih air dan uap sebagai fluida kerja, fluida yang menggerakkan piston dan menciptakan kerja. Perbedaan penting lainnya adalah bahwa mesin Stirling Cycle memiliki dua silinder, atau ruang, satu untuk ekspansi fluida kerja dan satu lagi untuk kompresi fluida kerja sedangkan mesin uap hanya memiliki satu silinder. Namun, perbedaan terpenting antara kedua mesin adalah bahwa, alih-alih membuang kelebihan panasnya dalam kondensor, mesin Siklus Stirling menyelesaikan siklus termodinamikanya dengan menyimpan kelebihan panasnya untuk digunakan pada siklus berikutnya. Karena itu, mesin Stirling Cycle bukan hanya mesin yang paling efisien secara termal, tetapi juga merupakan mesin yang paling efisien secara termal. Sebuah mobil khas memiliki efisiensi termal sekitar 30%. Pembangkit listrik tenaga batu bara mungkin 45% efisien. Mesin diesel yang sangat besar mungkin memiliki efisiensi termal 50%. Efisiensi termal maksimum teoritis dari mesin Siklus Stirling yang beroperasi pada suhu pembakaran 2.500 ° F (1.370 ° C) akan menjadi sekitar 78%. Tentu saja, tidak ada yang mampu membuat mesin Stirling Cycle dengan efisiensi termal yang mendekati itu. Sampai saat ini, para insinyur belum mampu mengatasi masalah desain yang signifikan yang ditimbulkan oleh realisasi siklus Stirling.

Dalam mesin uap, panas diterapkan ke boiler untuk membuat uap, yang kemudian digunakan untuk menggerakkan piston. Dalam mesin Siklus Stirling, panas diterapkan ke bagian luar silinder utama mesin, yang memanaskan udara di dalam silinder. Udara panas ini mengembang, menggerakkan piston tenaga mesin. Salah satu keuntungan utama mesin pembakaran eksternal dibandingkan mesin pembakaran internal adalah bahwa fluida kerja dalam mesin pembakaran eksternal tidak pernah terkena produk pembakaran, dan dengan demikian tetap jauh lebih bersih. Juga, karena panas dapat diciptakan dengan cara yang terkendali di luar mesin siklus cepat, mesin Siklus Stirling menghasilkan kurang dari 5% dari nitro oksida yang menghasilkan kabut asap yang dihasilkan oleh mesin pembakaran internal untuk hasil kerja yang sama.

Siklus Stirling terdiri dari empat langkah, sama seperti siklus Rankine mesin uap. Namun, alih-alih memindahkan fluida kerja dari boiler ke silinder ke kondensor ke boiler, mesin Stirling Cycle memindahkan fluida kerja dari ruang ekspansi pada suhu tinggi ke penukar panas regeneratif ke ruang kompresi pada suhu rendah dan kembali. Fluida kerja dipindahkan karena perbedaan suhu antara sisi panas dan sisi dingin mesin. Sisi panasnya dipanaskan, dengan membakar sampah misalnya. Sisi dingin hanyalah sisi yang tidak dipanaskan, hanya dingin relatif terhadap sisi panas. Kunci dari proses ini adalah penukar panas regeneratif. Disebut regeneratif karena menyimpan panas di satu bagian siklus dan kemudian mengembalikannya di bagian berikutnya.

Mulai dari awal langkah daya, empat langkah Siklus Stirling adalah:Fluida kerja semuanya terkandung dalam ruang ekspansi, ia menyerap panas dari sumber panas eksternal, yang menyebabkannya memuai, menekan piston daya dan pemindah, menghasilkan pekerjaan; piston daya diam sedangkan displacer, piston yang mengangkut fluida kerja antar ruang di dalam mesin, tetapi tidak bekerja, bergerak ke atas, mendorong fluida kerja dari ruang ekspansi ke ruang kompresi. Dalam perjalanan, sebagian besar panas yang tersisa dalam fluida kerja yang tidak diubah menjadi kerja, dipindahkan ke penukar panas regeneratif; dengan piston yang bekerja tetap di bagian atas silinder utama, fluida kerja dikompresi di ruang kompresi kembali ke volume aslinya, yang membutuhkan pelepasan sebagian panas ke sisi dingin mesin, sumber panas yang hilang, dan dengan demikian hilang efisiensi termal; fluida kerja dilewatkan kembali melalui penukar panas regeneratif, di mana ia memperoleh kembali sebagian besar panas yang disimpan, dan ke dalam ruang ekspansi di mana ia siap untuk diperluas lagi oleh sumber panas eksternal untuk melakukan pekerjaan.

Berbagai gerakan piston daya dan pemindah (kadang-kadang, mereka bergerak bersama untuk proses volume konstan, sementara di lain waktu satu diam sementara yang lain bergerak untuk kompresi dan ekspansi) dikendalikan oleh penggerak belah ketupat.

Manufaktur
Proses

Pembuatan komponen

• 1 Blok mesin dan piston diproduksi sebagai casting. Baja cair atau aluminium dituangkan ke dalam cetakan berlubang yang dibentuk seperti produk akhir yang diinginkan dan dibiarkan dingin. Sebuah blok mesin Siklus Stirling membutuhkan ruang untuk dua silinder piston, satu untuk piston daya dan satu untuk piston displacer (yang menggerakkan fluida kerja kembali ke silinder daya), penukar panas regeneratif, poros engkol, ruang bakar, dan berbagai saluran untuk fluida kerja untuk bergerak bolak-balik antara dua silinder.
• 2 Setelah casting mendingin, semua material asing digiling. Biasanya diperlukan untuk menyelesaikan blok mesin dengan mengebor lubang yang tidak dapat dicor secara ekonomis (karena ukurannya atau geometri yang rumit) dan reaming silinder ke diameter akhir yang diinginkan. Perlu dilakukan reaming A. Sumber panas. B. Penukar panas regeneratif. C. Pemindah. D. Piston bekerja. E. Drive belah ketupat. F. Kasus engkol. G. Pemindah batang penghubung. H. poros engkol. 1. Segel gas. J. Ruang ekspansi tempat fluida kerja dipanaskan. karena toleransi halus yang diperlukan antara piston dan silinder.
• 3 Poros engkol dan batang penghubung dibuat dengan cara ditempa atau dicor. Dalam penempaan, sepotong stok logam — disebut billet — ditempatkan di antara dua cetakan (cetakan adalah cetakan yang terbuat dari baja perkakas berkekuatan sangat tinggi). Sebuah palu, dengan berat beberapa ton, kemudian dijatuhkan ke atas dadu. Billet biasanya dipanaskan hampir sampai titik leleh sebelum ditempa. Proses penempaan dapat dilakukan dalam beberapa langkah menggunakan cetakan yang berbeda untuk mendapatkan bentuk akhir. Pengecoran dilakukan dengan mengisi cetakan berongga dengan logam cair. Logam dapat berupa besi ulet, baja, aluminium, atau paduan.
• 4 Komponen mesin dikerjakan untuk mencapai toleransi akhir. Pembentukan akhir biasanya dilakukan pada mesin bubut. Poros engkol/batang penghubung/piston diputar sementara pemotong (terbuat dari bahan yang lebih keras daripada bagian yang sedang dikerjakan) dimajukan ke bagian yang berputar untuk menghilangkan kelebihan logam. Mesin bubut modern yang dikendalikan komputer dapat dengan mudah mencapai toleransi 0,0001 in (0,0025 mm). Sebuah mesin penggilingan, di mana bagian itu diam dan alat pemotong berputar, digunakan untuk memotong lubang, slot, atau saluran yang diperlukan di bagian akhir.
• 5 Penukar panas regeneratif diproduksi dengan memasukkan ribuan kawat baja halus melalui pelat baja. Saat fluida kerja bergerak dari silinder utama ke silinder bantu, ia melepaskan panasnya ke pin ini. Pin yang paling dekat dengan silinder utama akan menjadi yang terpanas. Pin yang paling dekat dengan silinder bantu akan menjadi yang paling keren.
• 6 Sumber panas apa pun, matahari atau pembakaran, dapat digunakan untuk memberi daya pada mesin Siklus Stirling. Terlepas dari sumbernya, panas terkonsentrasi di ruang yang berbatasan langsung dengan piston yang bekerja. Siklus mesin menghilangkan sebagian panas ini dan menutupinya untuk bekerja. Karena mesin Stirling Cycle adalah mesin pembakaran eksternal, panas yang masuk bisa konstan (tidak seperti panas yang dihasilkan dalam mesin pembakaran internal yang dihasilkan dalam serangkaian ledakan). Namun, karena panasnya konstan, komponen mesin yang bersentuhan dengan sumber panas harus dirancang untuk mengakomodasi suhu tinggi dalam jangka waktu yang lama.

Majelis

• 7 Poros engkol dimasukkan ke dalam blok mesin dan ditahan di sana dengan bantalan. Bantalan memungkinkan poros engkol berputar di dalam blok mesin tanpa menghasilkan panas gesekan yang berlebihan. Bantalan dipasang ke blok mesin dengan menekan (diameter luar bantalan sedikit lebih besar dari diameter dalam lubang di blok mesin). Dengan memaksa bantalan ke blok mesin, bantalan terpasang kuat ke blok.
• 8 Piston dan batang penghubung dijatuhkan ke dalam silinder dan dipasang ke poros engkol dari bawah menggunakan baut kekuatan tinggi dan lockwasher. Baut dikencangkan menggunakan torsi yang telah ditentukan.
• 9 Penukar panas regeneratif dimasukkan ke dalam saluran yang mengalir antara silinder utama dan silinder bantu dan dibaut pada tempatnya.
• 10 Kepala silinder dibaut ke bagian atas engine, penutup akses dibaut ke bagian bawah engine. Gasket digunakan antara blok mesin dan penutup untuk memberikan segel yang efektif. Ruang sumber panas dibangun ke dalam penutup silinder utama.
• 11 Fluida kerja dipompa ke dalam mesin. Fluida kerja biasanya helium bertekanan.

Produk Sampingan/Limbah

Mesin Siklus Stirling menghasilkan pekerjaan yang jauh lebih bermanfaat daripada mesin pembakaran internal untuk jumlah gas rumah kaca dan bahan kimia penghasil asap yang dipancarkannya. Mesin juga dapat digunakan untuk mendapatkan kembali panas yang seharusnya terbuang percuma, seperti gas TPA yang dibakar begitu saja untuk membuangnya. Dengan demikian, secara keseluruhan mesin tersebut ramah lingkungan. Dengan memanfaatkan panas matahari di mesin Stirling Cycle, listrik dapat diproduksi di area yang tidak memiliki akses ke jaringan listrik tanpa memerlukan sel fotovoltaik.

Masa Depan

Masa depan mesin Stirling Cycle sangat cerah. Jika para insinyur dapat merancang dan memproduksi secara massal mesin Stirling Cycle yang kecil dan andal, tidak akan diperlukan pembangkit listrik tenaga nuklir atau pembangkit listrik berbahan bakar fosil. Sebagian besar daya listrik yang digunakan di rumah dapat dihasilkan di tempat. Mesin tersebut dapat mendinginkan rumah di musim panas tanpa menggunakan zat pendingin perusak ozon dan memanaskannya di musim dingin. Sayangnya, ada kesulitan desain praktis yang serius yang harus diatasi sebelum mesin Stirling Cycle dapat digunakan secara luas. Kendala teknik yang paling signifikan adalah desain ruang bakar mesin. Karena mesin Siklus Stirling beroperasi pada suhu yang sangat tinggi, ruang bakar tidak dapat dibuat dari bahan murah yang sama yang digunakan untuk memproduksi mesin mobil. Penggunaan komposit baja tahan karat atau keramik berkekuatan tinggi, selain mahal, membuat pembuatan mesin menjadi sangat sulit. Hambatan desain non-sepele lainnya termasuk merancang mekanisme roda gigi yang andal untuk menerjemahkan gerakan piston Siklus Stirling (yang sangat kompleks dibandingkan dengan mesin mobil Siklus Otto standar) menjadi gerakan poros engkol dan merancang segel yang mampu menjaga cairan kerja yang terkandung di dalam mesin.

Tempat Belajar Lebih Lanjut

Buku

Moran, Michael J., dan Howard N. Shapiro. Dasar-dasar Termodinamika Teknik. edisi ke-4 John Wiley and Sons, 2000.

Organ, A. J. Termodinamika dan Dinamika Gas dari Mesin Stirling. Cambridge University Press, 1992.

Walker, Graham. Mesin Stirling. Oxford University Press, 1980.

Walker, Graham, Graham Reader, Owen R. Faubel, dan Edward Bingham. Alternatif Stirling, Sistem Tenaga, Refrigeran dan Pompa Panas. Penerbit Gordon and Breach Science, 1996.

Lainnya

Griessel, Eugene. Halaman Rumah. "Animasi dari Siklus Stirling." 27 September 2001. .

"Pertanyaan yang Sering Diajukan Siklus Stirling." Halaman Web Perusahaan Stirling Amerika. 27 September 2001. .

Jeff Hujan