AshefaNews – Selama lebih dari 100 tahun, mekanisme mesin pembakaran internal telah dikenal dan digunakan di mana-mana. Namun, ada jenis mesin lain yang benar-benar luar biasa – yang disebut external combustion engine. Contoh external combustion engine adalah mesin Stirling.Â
Stirling adalah mesin panas yang bekerja tidak hanya dari bahan bakar yang terbakar, tetapi juga dari sumber panas apa pun, misalnya sinar matahari. Artikel ini menjelaskan sejarah perkembangan mesin, menunjukkan prinsip pengoperasiannya, dan juga memberikan contoh penggunaan mesin external combustion engine ini.
Sejarah Mesin External Combustion Engine
Ketika itu, 21 September 1816 di Edinburgh, Skotlandia, Robert Stirling mematenkan mesin panas, yang dia sebut economiser (sekarang disebut external combustion engine atau juga disebut mesin Stirling untuk menghormati penemunya, mesin Stirling). Namun, “mesin udara panas” dasar pertama dikenal pada akhir abad ke-17, jauh sebelum Stirling.
Prestasi Stirling adalah penambahan pembersih, yang disebutnya “economy”. Dalam literatur ilmiah modern, pemurni ini disebut “regenerator” (penukar panas). Fitur ini akan meningkatkan kinerja mesin dengan memerangkap panas di bagian mesin yang hangat saat udara didinginkan. Proses ini sangat meningkatkan efisiensi sistem.
Pada awal abad ke-19, mesin Stirling dikenal sebagai mesin uap paling andal yang tidak pernah meledak, seperti yang sering terjadi pada jenis mesin uap lainnya. Dan sebagai tambahan, keunggulan signifikannya adalah tidak bersuara.
Pada tahun 1908, kesempurnaan struktural dari mesin Stirling memungkinkan untuk memperkenalkannya di banyak bidang teknologi dan ekonomi: menggerakkan alat tenun, memutar roda dayung kapal, dan memasok udara ke organ gereja. Mesin ini bahkan digunakan dalam produk susu selama produksi keju dan di pangkas rambut untuk memutar pengeriting rambut.
Terlepas dari kesuksesan tersebut, pada tahun 1920-an, pengembangan teknologi Stirling telah berhenti. Mesin, yang diproduksi dalam jumlah yang signifikan selama Perang Dunia Pertama, bagaimanapun juga, tidak cukup ekonomis, terutama karena kurangnya bahan yang cocok untuk pembuatannya. Oleh karena itu, kemunculan menjelang perang motor listrik dan internal combustion engine yang lebih irit dan kompak, menghalangi pengembangan external combustion engine lebih lanjut. Namun, model mesin berdaya rendah diproduksi untuk waktu yang lama, hingga tahun 50-an.
Saat ini, berkat munculnya material tahan panas berkekuatan tinggi, sistem kontrol elektronik, dan teknologi produksi baru, mesin Stirling kembali menarik perhatian para spesialis. Perhitungan teoretis telah menunjukkan bahwa, dibandingkan dengan mesin pembakaran internal, dengan menggunakan material modern, mesin ini akan menang atas kinerja ekonomi dan lingkungan.
Prinsip Kerja External Combustion Engine
Mesin Stirling adalah mesin piston dengan suplai panas eksternal dari sumber mana pun di mana fluida kerja berada dalam sirkuit tertutup dan komposisi kimianya tidak berubah selama pengoperasian mesin. Efisiensi teoretis penggunaan panas dalam mesin Stirling sesuai dengan model terbaik mesin pembakaran internal, tetapi dalam praktiknya dimungkinkan untuk memastikan efisiensi tinggi mesin Stirling hanya jika ada regenerator efisien yang memanfaatkan panas.
Daya spesifik mesin Stirling (daya per unit perpindahan) sesuai dengan daya mesin diesel. Sejarah panjang pengembangan mesin dengan suplai panas eksternal menyebabkan terciptanya banyak jenis mesin ini. Salah satu desain yang mungkin dari mesin Stirling adalah susunan silinder pada sudut 90 derajat.
Satu silinder dipanaskan oleh sumber panas eksternal (misalnya api), dan yang kedua didinginkan, seperti es. Silinder diisi dengan gas dan dihubungkan satu sama lain, dan pistonnya dihubungkan secara mekanis melalui alat yang menyediakan urutan gerakan tertentu.
Rongga panas terhubung ke rongga dingin melalui regenerator dan pendingin. Regenerator adalah akumulator panas yang dirancang untuk mencegah kehilangan panas. Regenerator akan merasakan panas fluida kerja saat mengalir dari area panas ke area dingin dan memberikannya saat fluida kerja mengalir kembali.
Bahan regenerator harus memiliki kapasitas panas yang tinggi dan konduktivitas termal yang rendah untuk menghindari perpindahan panas ke pendingin. Pendingin merasakan sebagian besar panas yang dikeluarkan dari fluida kerja, yang disebabkan oleh siklus tertutup mesin Stirling. Dibandingkan dengan mesin diesel, panas yang dibuang ke sistem pendingin mesin Stirling dua kali lebih banyak, sehingga kinerja sistem pendingin harus dua kali lebih tinggi.
Selama gerakan piston ke atas, udara dikompresi di semua rongga mesin, fluida kerja mengalir melalui regenerator yang akan menghilangkan panas yang terkumpul, dan mengalir ke rongga panas. Panas disuplai ke fluida kerja di rongga panas dari luar melalui dinding silinder, dari hasil pembakaran yang terbentuk di ruang bakar.
Pemanasan fluida kerja di rongga panas menentukan peningkatan tekanannya di semua yang saling berhubungan di dalam rongga mesin. Di bawah pengaruh tekanan ini, piston yang bekerja bergerak ke bawah, melakukan langkah kerja, dan fluida kerja melewati regenerator, memberikan sebagian panas, mendingin di pendingin dan diumpankan ke rongga dingin. Saat suhu menurun, tekanan berkurang. Kemudian siklus ini berulang. Kontrol daya dapat dilakukan dengan berbagai cara. Misalnya dengan mengubah volume tambahan, yang mana mesin dilengkapi piston tambahan dengan ulir gigi.
Keunggulan dan Kekurangan External Combustion Engine
Mesin Stirling memiliki keunggulan yang signifikan dibandingkan dengan mesin pembakaran dalam, seperti:
- Konsumsi pelumas yang rendah;
- Emisi yang sangat rendah dari zat berbahaya utama, urutan besarnya lebih rendah dari mesin pembakaran internal, karena pembakaran bahan bakar yang konstan dalam kondisi yang menguntungkan;
- Kebisingan yang tidak signifikan yang disebabkan oleh tidak adanya mekanisme distribusi gas, serta proses pembakaran kontinu yang mulus, berbeda dengan pembakaran eksplosif di silinder ICE;
- Minim pemeliharaan;
Sementara untuk kelemahan external combustion engine adalah :
- Ukurannya yang besar, karena sangat sulit untuk membuat penukar panas yang kompak, andal, dan bertenaga.
- Saat ini, pembuatan mesin Stirling membutuhkan lebih banyak biaya daripada mesin pembakaran internal konvensional, namun pengoperasiannya jauh lebih ekonomis (namun biaya produksinya dapat dijelaskan dengan ketidakmampuan industri untuk memproduksi mesin Stirling).
Prospek External Combustion Engine
Kehebatan dari external combustion engine Stirling memungkinkan penggunaan bahan bakar non-tradisional, seperti biogas, batu bara, dan bahkan limbah dari industri perkayuan, serta penggunaan jenis energi lainnya, menjadikannya sangat menarik sehubungan dengan penggunaan energi dari sumber terbarukan.
Pada mobil, mesin Stirling belum mendapatkan distribusi, karena pembagian daya yang signifikan per unit, dan juga karena kerumitan sistem kontrol mesin dalam kondisi pengoperasian yang berubah dengan cepat. Meskipun digunakan sebagai bagian dari pembangkit listrik gabungan, sebagai limbah panas dari emisi ICE.
Dan pada kendaraan seperti kapal pesiar, kapal selam nuklir, pesawat luar angkasa, mesin Strilling digunakan secara luas. Karena dalam hal ini bobot dan dimensi mesin bukanlah faktor penentu, keandalanlah yang menentukan perannya sebagai kandidat ideal untuk mengubah energi panas menjadi energi mekanik.
Karena fakta bahwa mesin Stirling praktis bebas perawatan dan regulasi, mesin ini dapat ditempatkan di bagian lambung yang terisolasi, yang penting jika terjadi akses yang sulit (pada kapal selam atau pesawat ruang angkasa). Misalnya, NASA (National Aeronautics and Space Administration – US National Aeronautics and Space Administration) terlibat erat dalam pengembangan dan peningkatan mesin Stirling, berhasil mengimplementasikannya di pesawat ruang angkasa.
Efisiensi, kesederhanaan, dan keandalan yang agak tinggi dari desain mesin Stirling menentukan efisiensi penggunaan dalam sistem pembangkit listrik tenaga surya. Sinar matahari difokuskan oleh cermin cekung untuk menghangatkan mesin (sebagai sumber panas). Pendingin mungkin udara atmosfer ambien.
Dimungkinkan juga untuk menggunakan siklus Stirling terbalik. Jika menggerakkan mesin Stirling dengan beberapa perangkat eksternal, maka silinder “panas” akan menjadi dingin, dan silinder “dingin” akan menjadi hangat. Jika pada saat yang sama silinder “panas” dipanaskan, misalnya dengan udara sekitar, maka silinder “dingin” akan dipanaskan ke suhu yang lebih tinggi. Pada saat yang sama, energi eksternal tidak dihabiskan langsung untuk pemanasan, tetapi untuk “memompa” panas dari tempat dingin ke tempat yang lebih hangat, yang jauh lebih efisien.
Cryocooler Stirling juga bekerja berdasarkan prinsip pompa panas, tetapi digunakan sebagai unit pendingin untuk mendapatkan suhu yang sangat rendah. Dalam skala besar, mereka mulai diproduksi 15-20 tahun yang lalu – terutama untuk digunakan dalam peralatan militer: perlu memasang sensor dan penerima yang sangat sensitif yang didinginkan hingga suhu -200 ° C pada tank dan pesawat. Untuk pendinginan seperti itu, cryocooler dikembangkan, yang pengoperasiannya didasarkan pada siklus Stirling terbalik.
(GE – HKM)
