RANCANG BANGUN MESIN STIRLING TIPE GAMA BERKAPASITAS 157 ML MENGGUNAKAN SISTEM PENDINGIN FLUIDA CAIR
Hari S. Ritonga 1 *, Farel H. Napitupulu 2 , Tulus B. Sitorus 3 , M. Syahril Gultom 4 1,2,3,4 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara Email: ritonga732@gmail.com

## Abstract
Research on the development of the stirling engine is currently being developed due to the characteristics of  stirling  engines  that  can  use  many  types  of  fuel.  The  design  of  the  cooling  system  on  the  Stirling engine  is  absolutely  necessary  to  improve  the  efficiency  and  workability  of  the  engine.  The  purpose  of this study was to design a stirling engine using liquid coolers and to determine engine performance. The type of stirling machine used is a gama type stirling engine which has a higher efficiency than other types of  stirling  engines.  Stirling  engine  designed  with  a  capacity  of  150  ml.  The  results  obtained  from  the design  of  the  stirling  engine  showed  that  the  maximum  engine  performance  on  water  use,  the  average combustion temperature of 694.05 0 C and the average temperature of compression 48.29 0 C obtained the engine speed of 540 rpm and engine power of 24.2 watts. Engine performance without using water at an average temperature of combustion of 561.87 0 C and the average temperature of compression of 50.65 0 C obtained engine speed of 444 rpm and engine power of 16.42 watts. Thus it can be concluded that the use of liquid cooling on the Stirling engine will improve engine performance and power.
Keyword : stirling engine, liquid cooland, performance

## Abstrak
Penelitian  tentang  pengembangan  mesin  stirling  saat  ini  sedang  berkembang  terkusus  diakibatkan  oleh karakteristik  mesin  stirling  yang  dapat  mengunakan  banyak  jenis  bahan  bakar.  Perancangan  sistem pendingin pada mesin stirling sangat mutlak diperlukan untuk menigkatkan efisiensi dan ketahahan kerja mesin. Tujuan penelitian ini adalah merancang mesin stirling dengan menggunakan pendingin cairan serta untuk  mengetahui performa mesin.  Jenis  mesin  stirling yang  digunakan  adalah  mesin  stirling  tipe gama yang  mempunyai  efisiensi  lebih  tinggi  dari  jenis  mesin  stirling  lainnya.  Mesin  stirling  yang  dirancang berkapasitas 150 ml. Hasil penelitian yang diperoleh dari perancangan mesin stirling menunjukkan bahwa performa  mesin  maksimum  pada  penggunaan  air,    suhu  rata-rata  pembakaran  694,05 0 C  dan  suhu  rata- rata kompresi 48,29 0 C didapat putaran mesin 540 rpm dan daya mesin 24,2 watt. Performa mesin tanpa menggunakan air pada suhu rata-rata pembakaran 561,87 0 C dan suhu rata-rata kompresi 50,65 0 C didapat putaran  mesin  444  rpm  dan  daya  mesin  16,42  watt.  Dengan  demikian  dapat  disimpulkan  penggunaan pendingin cairan pada mesin stirling akan meningkatkan performa dan daya mesin.
Kata kunci : mesin stirling, pendingin cairan, performa

## 1. Pendahuluan
Energi  merupakan  kebutuhan  terbesar  umat  manusia,  semakin  bertambahnya  populasi umat manusia maka konsumsi akan energi akan semakin bertambah. Salah satu sumber energi terbesar yang digunakan manusia adalah energi dari fosil. Hampir semua kegiatan produksi dan
transfortasi menggunakan energi fosil sebagai bahan bakar. Penggunaan energi fosil yang secara terus  menerus  mengakibatkan  persediaannya  semakin  lama  semakin  habis.  Disamping persediaannya yang terbatas, penggunaan energi fosil sebagai sumber bahan bakar menyumbang polusi  yang  besar  terhadap  lingkungan.  Cara  yang  di  dapat  gunakan  untuk  mengurangi penggunaan energi fosil adalah dengan mengembangkan teknologi dengan efisiensi penggunaan bahan  bakar  yang  lebih  maksimal  serta  pengembangan  teknologi  yang  memanfaatkan  energi terbarukan sebagai sumber energi utama.
Mesin stirling adalah mesin dengan sistem pembakaran luar siklus tertutup yang dapat menggunakan  berbagai  jenis  bahan  bakar seperti  energi  fosil, biomassa,  energi  surya, maupun energi  nuklir  sebagai  bahan  bakarnya  namun  mesin  ini  mempunyai  kekurangan  yaitu  ketika mesin sudah mencapai panas berlebih maka akan mengakibatkan kinerja mesin berkurang dan bahkan mengakibatkan mesin berhenti berjalan.
Tujuan  dari  penelitian  mesin  stirling  ini  adalah  merancang  mesin  stirling  tipe  gamma berkapasitas  157  ml  yang  menggunakan  pendingin  cairan  serta  untuk  mengetahui  daya  yang dibangkitkan  mesin  dan  performa  mesin  ketika  menggunakan  pendingin  cairan  dan  tanpa menggunakan pendingin cairan.

## 2. Dasar Teori

## Teori Schmidt
Teori Schmidt adalah salah satu metode perhitungan isotermal untuk mesin Stirling. Ini adalah metode yang paling sederhana dan sangat berguna selama pengembangan mesin Stirling. Teori ini didasarkan pada ekspansi isotermal dan kompresi gas ideal. Performa mesin dapat dihitung menggunakan  diagram  P-V.  Volume  dalam  mesin  dapat  dihitung  dengan  menggunakan geometri  internal.  Ketika  volume,  massa  fluida  bekerja  dan  suhu  ditentukan,  tekanan  dapat dihitung  dengan  menggunakan  metode  persamaan  gas  ideal  seperti  yang  ditunjukkan  dibawah ini.
PV = mRT
(1)
Dimana : P = tekanan (Pa) v = volume  (M 3 ) m = jumlah mol zat (Kg) r = konstanta gas (J/Kg.K) t = suhu (K)
Berikut beberapa asumsi yang digunakan untuk menentukan Perhitungan mesin Stirling.
a) Tidak ada pressure loss dan tidak ada perbedaan internal pressure .
b) Proses ekspansi dan proses kompresi berlangsung secara iso thermal .
c) Kondisi fluida kerja adalah udara sebagai gas ideal.
d) Terjadi regenerasi sempurna.
e) Volume sisa pada silinder panas menjaga temperatur gas pada silinder panas –T E , volume sisa pada silinder dingin menjaga temperatur gas pada silinder dingin –T C selama siklus.
f) Temperatur pada regenerator adalah rata-rata ekspansi –T E, dan temperatur kompresi -Tc .
g) Volume ekspansi (Ve) dan volume kompresi (Vc) berubah berdasarkan fungsi sinusida.
Gambar 2.1 mesin stirling tipe gama
Volume  ekspansi  momental  –  V E, dan  volume  compresi  momental  –  V C dideskripsikan  pada persamaan  dibawah  ini  dengan  sudut  putar  –x.  Sudut  putar  didefinisikan  sebagai  x=0  ketika piston  ekspansi  (piston  pada  silinder  panas)  berada  pada  posisi  TMA.  Sudut  phasa  –dx  yaitu sudut antara piston displacer dan piston compresi.
Ve = 𝑉𝑠𝑒 2 (1-cos x) +Vde (2)
Volume kompresi sesaat –Vc dapat dihitung dengan persamaan (1) dan sudut fase –dx
Vc = 𝑉 𝑆𝐸 2 (1- cos x) + 𝑉 𝑆𝐶 2 {1- cos(x-dx)}+V DC (3)
Volume total sesaat dihitung dengan persamaan :
V = Vc + V R + V E (4)
Dengan  asumsi  (a),  (b),  dan  (c),  maka  massa  total  dalam  mesin,  dapat  dihitung  dari  tekanan, temperatur, volume dan tetapan gas konstan - R
m = 𝑃𝑉 𝐸 𝑅𝑇 𝐸 + 𝑃𝑉 𝑅 𝑅𝑇 𝑅 + 𝑃𝑉 𝐶 𝑅𝑇 𝐶 (5)
Rasio  tempratur  –  t,  rasio  volume  bersih  –  v,  dan  rasio  volume  langkah  dapat  dihitung  pada persamaan dibawah ini
t  = 𝑇 𝐶 𝑇 𝐸 (6)
v = 𝑉 𝑆𝐶 𝑉 𝑆𝐸 (7)
X DE = 𝑉 𝐷𝐸 𝑉 𝑆𝐸 (8)
X DC = 𝑉 𝐷𝐶 𝑉 𝑆𝐸 (9) X R = 𝑉 𝑅 𝑉 𝑆𝐸 (10)
Suhu regenerator – T R, di rumuskan pada persamaan .... dengan asumsi (f), sebagai berikut :
T R = 𝑇 𝐸+𝑇𝐶 2 (11)
Ketika  persamaan  (6)  dan  (10)  di  subsitusikan  ke  persamaan  (5),  maka  untuk  massa  gas  total diperoleh pada persamaan seperti dibawah ini
m = 𝑃 𝑅𝑇 𝐶 (tV E + 2𝑉 𝑅 1+𝑡 + V C ) (12)
Dengan mensubsitusikan persamaan (2) dan (3) ke persamaan (12) maka diperoleh persaan
m = 𝑃𝑉 𝑆𝐸 2𝑅𝑇 𝐶 {S – B cos (x-a)}
(13)
Dimana :
a = tan -1 𝑣 𝑠𝑖𝑛 𝑑𝑥 𝑡+𝑐𝑜𝑠 𝑑𝑥+1 (14)
S = t + 2tX DE + 4𝑡𝑉 𝑅
1+𝑡 + v +2X DC +1 (15)
B = √𝑡 2 + 2(𝑡 − 1)𝑣 𝑐𝑜𝑠 𝑑𝑥 +   𝑣 2 − 2𝑡 + 1 (16)
Tekanan mesin – p, di tentukan dengan menggunakan persaan (13) sebagai berikut.
P = 2𝑚𝑅𝑇 𝐶 𝑉 𝑆𝐸 {𝑆−𝐵𝑐𝑜𝑠(𝜃−𝑎)}
(17)
Tekanan rata-rata di rumuskan dengan :
P mean = 1 2𝜋 ∮ 𝑃𝑑𝑥 = 2𝑚𝑅𝑇 𝐶 𝑉 𝑆𝐸 √𝑆 2 −𝐵 2 (18)
c dirumuskan dengan persamaan :
c = 𝐵 𝑆 (19)
Perhitungan tekanan mesin berdasarkan tekanan rata-rata di rumuskan dengan persamaan :
P = 𝑃 𝑚𝑒𝑎𝑛 √𝑆 2 −𝐵 2 𝑆−𝐵𝑐𝑜𝑠(𝜃−𝑎) = 𝑃 𝑚𝑒𝑎𝑛 √1−𝑐 2
1−𝑐.cos (𝑥−𝑎) (20)
maka didapat persamaan untuk tekanan mesin sebagai berikut :
P = 𝑃 𝑚𝑒𝑎𝑛 √1+𝑐 2 1−𝑐.cos (𝑥−𝑎) = 𝑃 𝑚𝑖𝑛 (1+𝑐) 1−𝑐.cos (𝑥−𝑎) = 𝑃 𝑚𝑎𝑥 (1−𝑐) 1−𝑐.cos (𝑥−𝑎) (21)

## Indikator Energi, Daya, dan Efisiensi
Indikator energi pada ruang ekspansi dan kompresi di hitung berdasarkan solusi analitis degan menggunakan koefisien diatas.
Indikator energi pada daerah ekspansi (W E ) dapat dihitung berdasarkan pada tekanan rata-rata, tekanan maximum, dan tekanan minimum. Seperti pada persamaan dibawah ini.
W E = ∮ 𝑃𝑑𝑉 𝐸 = 𝑃 𝑚𝑒𝑎𝑛 𝑉 𝑆𝐸 𝜋𝑐 sin 𝑎 1+ √1− 𝑐 2 = 𝑃 𝑚𝑖𝑛 𝑉 𝑆𝐸 𝜋𝑐 sin 𝑎
1+ √1− 𝑐 2 √1+ 𝑐 √1−𝑐
= 𝑃 𝑚𝑖𝑛 𝑉 𝑆𝐸 𝜋𝑐 sin 𝑎 1+ √1− 𝑐 2 √1− 𝑐 √1+ 𝑐 (22)
Indikator energi pada area kompresi (W C ), dirumuskan dengan persamaan dibawah ini.
W C = ∮ 𝑃𝑑𝑉 𝐶 = - 𝑃 𝑚𝑒𝑎𝑛 𝑉 𝑆𝐸 𝜋𝑐𝑡  sin 𝑎 1+ √1− 𝑐 2 = - 𝑃 𝑚𝑖𝑛 𝑉 𝑆𝐸 𝜋𝑐𝑡  sin 𝑎
1+ √1− 𝑐 2 . √1+ 𝑐 √1−𝑐 = 𝑃 𝑚𝑎𝑥 𝑉 𝑆𝐸 𝜋𝑐𝑡  sin 𝑎 1+ √1− 𝑐 2 . √1− 𝑐 √1+ 𝑐 (23)
Indikator energi per satu siklus mesin di hitung dengan menggunakan rumus dibawah ini. W i = W E + W C = 𝑃 𝑚𝑒𝑎𝑛 𝑉 𝑆𝐸 𝜋𝑐(1−𝑡)  sin 𝑎 1+ √1− 𝑐 2
= 𝑃 𝑚𝑖𝑛 𝑉 𝑆𝐸 𝜋𝑐(1−𝑡) sin 𝑎 1+ √1− 𝑐 2 √1+ 𝑐 √1−𝑐
= 𝑃 𝑚𝑎𝑥 𝑉 𝑆𝐸 𝜋𝑐(1−𝑡) sin 𝑎
1+ √1− 𝑐 2 √1− 𝑐 √1+ 𝑐 (24)
Hubungan antara P mean, P min , dan P max dirumuskan seperti dibawah ini.
𝑃 𝑚𝑖𝑛 𝑃 𝑚𝑒𝑎𝑛 = √ 1−𝑐 1+𝑐 (25)
𝑃 𝑚𝑖𝑛 𝑃 𝑚𝑒𝑎𝑛 = √ 1+𝑐 1−𝑐 (26)
Indikator daya pada saat ekspansi, compresi dan indikator daya untuk total keseluruhan sistem dirumuskan dengan persamaan berikut:
L E = W E n (27)
L C = W C n (28)
L I = W I n (29)
Diman : n  = putaran mesin (rpm)
L  = daya mesin (watt)
W = energi (joule)
Perhitungan efisiensi dari mesin stirling dapat dirumuskan dengan membandingkan energi yang di keluarkan oleh mesin (W I ) dengan  energi yang masuk (W E ).
e = 𝑊 𝑖 𝑊 𝐸 = 1 – t (30)
Dimana : e = efisiensi (%)

## Unjuk Kerja Mesin
daya yang bekerja pada poros dapat ditentukan dari persamaan di bawah ini.
T = Fr F = 𝑇 𝑟 (31)
Dimana :
T = torsi (Nm)
F = gaya (N) r = jari-jari (m)
Jarak  yang  ditempuh  s  adalah  jumlah  putaran  dari  poros  dikali  denga  keliling  poros. Dirumuskan dibawah ini
s = (2πr)n
(32)
Dimana :
s = jarak yang ditempuh (m) r = jari-jari (m) n = putaran (rpm) kerja yang dilakukan oleh poros persatuan waktu dirumuskan [23]. Sebagai berikut.
W sh = Fs = ( 𝑇 𝑟 ) (2πr.n)
W sh = 2πnT (33)
Dimana :
W sh = daya poros (watt) n   = putaran (rpm)
3. Desain dan Pembuatan Alat
Proses rancang bangun mesin stirling ini melalui beberapa tahap yaitu proses perhitungan awal untuk  menetukan  dimensi  dari  mesin  yang  dirancang,  proses  menggambar,  dan  selanjutna adalah proses produksi bagian-bagian mesin. Berikut adalah gambar rancagan mesin yang telah di buat
Gambar 3.1 Asembli Mesin Stirling Gambar dia atas memperlihatkan bagian desain dari mesin stirling.
Berikut parameter dimensi untuk desainmesin stirliling yang dirancang.
Tabel 4.1 Parameter mesin stirling
No Nama Simbol Satuan 1 Volume displacer V SE 157 cm 3 2 Volume mati displacer V DE 9.81 cm 3 3 Diameter silinder D E 50 mm 4 Panjang langkah L E 80 mm 5 Pajang langkah volume mati dispalcer L DE 15 mm 6 Volume power piston V SC 78.5 cm 3 7 Volume mati power piston V DC 3.92 m 3 8 Diameter silinder D C 50 mm 9 Panjang langkah L C 40 mm 10 Pajang langkah volume mati power piston L DC 2 mm 11 Sudut phasa dx 90 0 12 Tetapan gas konstan R 286,9 j/kg.k 13 Tekanan rata- rata P mean 101,3 kpa
14 Dimaeter Flywheel r 25 mm

## 4. Data Hasil Penelitian
Data penelitian pada mesin stirling terbagi menjadi tiga bagian yaitu data hasil pengujian degan menggunakan  pendingin  cairan,  data  pengujian  tanpa  menggunakan  pendingin,  dan  data pengujian dengan menggunakan pembebanan pada mesin stirling.
a. data hasil pengujia menggunakan pendingin air Tabel 4.1 Data pengujian menggunkan pendingin
Keterangan Interval Waktu (menit) Putaran (rpm) Suhu Ekspansi ( 0 C) Suhu kompresi ( 0 C) Suhu air masuk ( 0 C) Mesin dijalankan 3.43 185 386,75 34,31 26 Performa mesin rata-rata 12.00-29.20 540 694,05 48,29 26 Performa mesin maksimum 22.00 578 718,73 50,49 26
Berikut dibawah ini adalah diagram P-V mesin stirling dengan mengunakan pendingin cairan.
Gambar 4. 2 diagram P-V dengan menggunkan pendingin

## Tabel 4.2 data pengujian tanpa menggunakan pendingin
Keterangan Interval Waktu (menit) Putaran (rpm) Suhu Ekspansi ( 0 C) Suhu kompresi ( 0 C) Suhu ruangan ( 0 C) Mesin dijalankan 12.20 326 269,9733 34,5295 32 Performa mesin rata-rata 21.00-40.00 444 561,87 50,65 32 Performa mesin maksimum 18.00 569 638,5959 40,6427 32
Berikut dibawah ini adalah diagram P-V mesin stirling tanpa mengunakan pendingin cairan.
Gambar 4.3 diagram P-V tanpa menggunakan pendingin
c. data pengujian dengan menggunakan pembebanan. Tabel 4.6 data hasil pengujian putaran mesin berdasarkan pembebanan
No Massa (kg) Torsi (Nm) Daya (Watt) Putaran (RPM) Suhu Kompresi ( 0 C) Suhu Ekspansi ( 0 C) 1 1 0,245 11,38 444 36,07 638,29 2 1,3 0,319 14,49 434 37,49 636,89 3 1,6 0,392 16,15 393 38,14 627,60 4 1,9 0,466 17,23 353 37,73 620,65 5 2,2 0,540 18,08 320 37,05 620,08 6 3,1 0,761 23,33 293 37,36 595,67 7 3,7 0,90 - - 37,66 608,61

## 6. Kesimpulan
Berikut  kesimpulan  yang  didapat  dari  rancang  bangun  mesin  stirling  tipe  gamma  berkapasits 157 ml dengan menggunakan pendingin air.
1. Performa  mesin  yang  diperoleh  yaitu  sebesar  23,33  watt  pada  putaran  293  rpm  dengan melakukan  pembebanan,  putaran  mesin  maksimum  sebesar  576  rpm  tanpa  pembebanan, torsi maksmum mesin adalah sebesar 0,9 Nm.
2. Performa  mesin  terbaik  didapat  ketikan  mesin  menggunakan  pendingin  air,  yaitu  putara mesin rata-rata adalah 540 rpm dengan suhu rata-rata ekspansi 694,05 0 C dan suhu rata-rata kompresi 48,29 0 C, sedangkan tanpa menggunakan pendingin diperoleh putaran mesin rata- rata  444  rpm  dengan  suhu  rata-rata  ekspansi  561,87 0 C  dan  suhu  rata-rata  kompresi 50,65 0 C. Berdasarkan analisis schmidt daya yang dibangkitkan pada penggunaan pendingin air  adala  h  sebesar  24,2  watt  sedangkan  tanpa  menggunakan  pendingin  daya  yang dibangkitkan mesin sebesar 16,42 watt
3. Berdasarkan  pengukuran  torsi  yaitu  sebesar  0,761  Nm  pada  putaran  293  rpm  diperoleh daya mesin sebesar 23,33 watt dengan suhu displacer 595,61 0 C dan suhu kompresi 37,36 0 C

## Daftar Pustaka
[1] G. Walker. (1980). Stirling Engine. Calendron press. Universitas Oxford.
[2]    Andreas Wagner. 2008. Calculations and experiments on y-type Stirling engines . Tesis. Universitas Walles.
[3]    Cengel, Y. A., dan Boles, M. A. 2015. Thermodynamic An Engineering Approch, eight edition. New York: McGraw-Hill Education,
[4]    L. W. Rosenegger. 1973. Design And Development Of A Rotary Stirling Cycle Engine . Tesis.  Universitas McGill Montreal.
[5]    Hirata Koichi. Bekkome Home Page. Schmidt Theory for Stirling Engines . Stirling engine home page [online]. Diakses pada tanggal 17 januari 2019. Dari :http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/academic/indexe.htm
[6]    Moran, Michael J., Shapiro, Howard N., dkk. 2014. Fundamental of Engineering
Thermodynamics. eight editon. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved