Mesin Siklus Stirling: Tinjauan Komprehensif Desain, Efisiensi, dan Aplikasi

Latar Belakang

Mesin mengubah energi menjadi kerja berguna. Dari mesin mobil bensin hingga mesin diesel di truk berat, turbin uap di pembangkit listrik, dan mesin jet di pesawat, setiap desain memanfaatkan panas dari pembakaran bahan bakar untuk melakukan tugas mekanis.

Energi, kapasitas untuk melakukan kerja, tidak dapat sepenuhnya diubah menjadi kerja. Sebagai contoh, satu galon (3,8 L) bensin mengandung cukup energi kimia untuk mendidihkan sekitar 14 galon (53 L) air secara langsung. Jika galon yang sama memasok generator portabel, maka listrik yang dihasilkan digunakan untuk mendidihkan air, menghasilkan jauh lebih sedikit—biasanya hanya sekitar 3 galon (11 L)—sebelum generator kering.

Kesenjangan ini timbul karena mesin tidak 100 % efisien termal. Efisiensi termal—rasio kerja berguna terhadap energi masukan—menurun seiring hilangnya panas melalui gas buang, gesekan, dan mekanisme lain. Akibatnya, kompor gas atau pengering pakaian sering kali lebih murah untuk dioperasikan daripada sejenisnya listrik.

Ilmu tentang bagaimana panas disiklus untuk menghasilkan kerja adalah termodinamika. Setiap mesin beroperasi pada siklus termodinamika tertentu: mesin bensin pada siklus Otto, mesin diesel pada siklus Diesel, dan pembangkit uap pada siklus Rankine. Siklus-siklus ini telah tak tergantikan, tetapi tidak satu pun dapat mengubah semua panas masukan menjadi kerja karena mereka harus menolak panas ke lingkungan. Siklus Stirling menawarkan efisiensi termal praktis tertinggi, karena ia mempertahankan jumlah panas yang dapat digunakan paling besar untuk setiap siklus.

Sejarah

Mesin praktis pertama adalah mesin uap James Watt tahun 1769, yang menggunakan boiler batu bara untuk menggerakkan piston melalui siklus empat langkah: pengadukan uap, ekspansi, kondensasi, dan kembali. Meskipun revolusioner, mesin uap menderita kerugian energi dalam kondensor dan ledakan boiler yang sering terjadi karena campuran uap panas dengan air dingin.

Respons terhadap itu, Reverend Robert Stirling, seorang insinyur dan menteri Gereja Skotlandia, merancang mesin yang menggunakan udara daripada uap. Dengan menghilangkan kebutuhan untuk mengkondensasi uap, desain Stirling mengurangi kerugian energi dan meningkatkan keamanan. Namun, metalurgi terbatas pada abad ke-19 mencegah konstruksi mesin Stirling yang kuat, dan kelimpahan bahan bakar fosil menjaga mesin uap dan kemudian mesin pembakaran dalam tetap dominan.

Saat ini, mesin Stirling memasok produksi udara cair murni, instrumen satelit, dan beberapa kapal selam angkatan laut. Efisiensi termal yang superior terus menarik penelitian dan aplikasi nich.

Bahan Baku

Mesin Stirling dapat dibuat dari berbagai logam. Blok mesin biasanya dicetak dari baja ductile atau alloy aluminium-silicon. Komponen kekuatan tinggi—seperti crankshaft dan piston—mungkin menggunakan baja tool S-7. Gasket dan seal terbuat dari Lexan, neoprene, atau karet alami. Fluida kerja adalah gas tekanan (helium atau udara). Elemen transfer panas harus menahan suhu ekstrem dan sering dibuat dari baja kekuatan tinggi atau komposit keramik seperti karbida silikon.

Desain

Desain mesin Stirling mengintegrasikan termodinamika, analisis transfer panas, analisis getaran, dinamika mekanis, ilmu bahan, dan desain mesin. Termodinamika menetapkan suhu operasi dan ukuran mesin; analisis transfer panas memastikan pertukaran energi yang efisien; analisis getaran menyeimbangkan mesin untuk operasi yang halus; dinamika mekanis dan ilmu bahan menentukan kekuatan komponen; dan desain mesin menterjemahkan siklus menjadi mesin yang bekerja.

Berbeda dengan mesin uap, mesin Stirling menggunakan gas (udara, hidrogen, atau helium) sebagai fluida kerja dan mempekerjakan dua silinder—ruang ekspansi dan ruang kompresi—yang terhubung oleh piston displacer. Keuntungan utama mesin adalah bahwa ia menyimpan panas berlebih dalam pemanas regeneratif daripada menolaknya ke kondensor, menjadikannya mesin paling efisien termal yang mungkin.

Mesin otomotif typis mencapai ~30 % efisiensi termal; pembangkit listrik batu bara ~45 %; mesin diesel besar hingga 50 %. Mesin Stirling yang beroperasi pada suhu pembakaran 2.500 °F (1.370 °C) secara teoretis dapat mencapai ~78 % efisiensi, meskipun desain praktis saat ini masih di bawah ideal ini.

Mesin Stirling adalah mesin pembakaran eksternal: sumber panas berada di luar mesin, memungkinkan fluida kerja tetap bebas dari produk pembakaran dan menghasilkan kurang dari 5 % emisi nitrogen oksida dari mesin pembakaran dalam yang setara.

Siklus Stirling terdiri dari empat langkah: 1) Panas diserap oleh fluida kerja di ruang ekspansi, menyebabkan ia meluas dan menggerakkan piston daya; 2) Piston displacer memindahkan fluida ke ruang kompresi sambil mentransfer panas sisa ke pemanas regeneratif; 3) Fluida dikompresi di ruang kompresi, melepaskan beberapa panas ke sisi dingin; 4) Fluida kembali melalui pemanas regeneratif, mereklam panas yang tersimpan sebelum kembali ke ruang ekspansi. Drives rombik mengkoordinasikan gerakan piston daya dan displacer.

Proses Manufaktur

Pembuatan Komponen

• Blok mesin dan piston dicetak dari baja cair atau aluminium, kemudian diproses ke toleransi yang presisi. Blok menempatkan dua silinder, pemanas regeneratif, crankshaft, dan saluran fluida.
• Setelah dicetak, bahan berlebih dihapus, dan lubang dibor atau di-ream untuk mencapai kelonggaran yang ketat. Diagram terperinci mengilustrasikan komponen utama (A–J).
• Crankshaft dan batang pengikat dicetak atau dicoret. Pencetakan melibatkan pemanasan billet dan membentuknya di antara cetakan baja; pencetakan melibatkan penuangan logam cair ke dalam cetakan.
• Pemrosesan presisi pada bor dan mesin gerinda menyempurnakan toleransi hingga 0,0001 in (0,0025 mm).
• Pemanas regeneratif dibentuk dengan memasukkan ribuan kawat baja halus melalui sebuah plat, menciptakan jaringan padat yang mentransfer panas di antara dua silinder.
• Sumber panas—solar, pembakaran, atau panas buangan—secara langsung memanaskan silinder utama. Karena panas stabil, komponen harus menahan suhu tinggi yang berkelanjutan.

Pemasangan

• Crankshaft ditempatkan dalam blok mesin dengan bearing yang meminimalkan gesekan.
• Piston dan batang pengikat dimasukkan ke dalam silinder dan di-bolt ke crankshaft dengan torsi terkalibrasi.
• Pemanas regeneratif dimasukkan ke dalam salur di antara silinder dan dijamin.
• Kepala silinder dan tutup sumber panas di-bolt, dijamin dengan gasket, dan ruang sumber panas diintegrasikan ke dalam tutup.
• Helium tekanan atau fluida kerja lainnya dipompa ke dalam mesin.

Hasil Samping dan Limbah

Mesin Stirling menghasilkan lebih banyak kerja berguna per unit gas rumah kaca yang dikeluarkan dibandingkan mesin pembakaran dalam. Mereka juga memulihkan panas buangan—misalnya, dari gas sampah—untuk menghasilkan listrik, meningkatkan ramah lingkungan. Sistem Stirling tenaga surya dapat menghasilkan listrik yang terhubung ke jaringan di lokasi terpencil tanpa sel surya.

Masa Depan

Produksi massal mesin Stirling yang kompak dan andal dapat mengubah generasi listrik rumah tangga, potensial menghilangkan kebutuhan pembangkit nuklir atau bahan bakar fosil. Namun, tantangan tetap ada: ruang pembakaran suhu tinggi membutuhkan baja stainless atau komposit keramik yang mahal; mekanisme gigi yang kuat harus menterjemahkan gerakan piston kompleks menjadi rotasi crankshaft; dan seal harus secara andal menahan fluida kerja.

Tempat Belajar Lebih Lanjut

Buku

Moran, Michael J., dan Howard N. Shapiro. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. Ed. 4. John Wiley & Sons, 2000.

Organ, A. J. Thermodynamics and Gas Dynamics of the Stirling Machine. Cambridge University Press, 1992.

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

Walker, Graham, Graham Reader, Owen R. Faubel, dan Edward Bingham. The Stirling Alternative: Power Systems, Refrigerants and Heat Pumps. Gordon and Breach Science Publishers, 1996.

Lainnya

Griessel, Eugene. Home Page. “Animation of a Stirling Cycle.” 27 September 2001. https://www.dynagen.co.za/eugene/stirlinghtm.

“Stirling Cycle Frequently Asked Questions.” American Stirling Company Web Page. 27 September 2001. https://www.stirlingengine.com/FAQ.asp.

Jeff Raines