Mengenal Proses Mesin Konversi Energi

1. Pengertian Energi

Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Energi bersifat abstrak yang sukar dibuktikan tetapi dapat dirasakan adanya. Menurut hukum Termodinamika Pertama, energi bersifat kekal. Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnakan, tetapi dapat berubah bentuk (konversi) dari bentuk energi yang satu ke bentuk energi yang lain. Sebagai contoh pada proses pembakaran pada mesin mobil/motor (sistem motor pembakaran dalam), bensin satu liter dikonversi menjadi kerja yang berhasil guna tinggi, yakni menjadi energi gerak/mekanik pada mobil/motor, sehingga dapat memindahkan manusia/barang dari suatu tempat ke tempat lain. Dalam hal ini bensin satu liter memiliki energy dalam yang siap dirubah menjadi kerja yang berguna (availabilitas). Dengan kata lain availabilitas adalah kemampuan sistem untuk menghasilkan kerja yang berguna.

1. Macam-Macam Energi
   1. Energi Mekanik
   Energi meknik merupakan energi gerak, misal turbin air akan mengubah energi potensial menjadi energi mekanik untuk memutar generator listrik.
   
   1. Energi Potensial
   Merupakan energi karena posisinya di tempat yang tinggi. Contohnya air waduk di pegunungan dapat dikonversi menjadi energi mekanik untuk memutar turbin selanjutnya dikonversi lagi menjadi energi listrik.
   
   1. Energi Listrik
   Energi Listrik adalah energi yang berkaitan dengan arus elektron, dinyatakan dalam Watt-jam atau kilo Watt-jam. Arus listrik akan mengalir bila penghantar listrik dilewatkan pada medan magnet. Bentuk transisinya adalah aliran elektron melalui konduktor jenis tertentu. Energi listrik dapat disimpan sebagai energi medan elektrostatis yang merupakan energy yang berkaitan dengan medan listrik yang dihasilkan oleh terakumulasinya muatan elektron pada pelat-pelat kapasitor.

Gambar 01. PLTA, konversi energi dari energi potensial, energy mekanik, dan energi listrik

 

1. Energi Elektromagnetik

Energi elektromagnetik merupakan bentuk energi yang berkaitan dengan radiasi elektromagnetik. Energi radiasi dinyatakan dalam satuan energi yang sangat kecil, yakni elektron volt (eV) atau mega elektro volt (MeV), yang juga digunakan dalam evaluasi energi nuklir.

1. Energi Kimia

Energi kimia merupakan energi yang keluar sebagai hasil interaksi elektron di mana dua atau lebih atom/molekul berkombinasi sehingga menghasilkan senyawa kimia yang stabil. Energi kimia hanya dapat terjadi dalam bentuk energi tersimpan. Bila energi dilepas dalam suatu reaksi maka reaksinya disebut reaksi eksotermis yang dinyatakan dalam kJ, Btu, atau kKal. Bila dalam reaksi kimia energinya terserap maka disebut dengan reaksi endodermis. Sumber energi bahan bakar yang sangat penting bagi manusia adalah reaksi kimia eksotermis yang pada umumnya disebut reaksi pembakaran. Reaksi pembakaran melibatkan oksidasi dari bahan bakar fosil.

Gambar 02. Accu sebagai bentuk energi kimia

 

 

1. Energi Nuklir

Energi Nuklir adalah energi dalam bentuk energi tersimpan yang dapat dilepas akibat interaksi partikel dengan atau di dalam inti atom. Energi ini dilepas sebagai hasil usaha partikel-partikel untuk memperoleh kondisi yang lebih stabil. Satuan yang digunakan adalah juta electron reaksi. Pada reaksi nuklir dapat terjadi peluluhan radioaktif, fisi, dan fusi.

Gambar 03. Salah satu reaktor nuklir

 

1. Energi Termal

Energi termal merupakan bentuk energi dasar di mana dalam kata lain adalah semua energi yang dapat dikonversikan secara penuh menjadi energi panas. Sebaliknya, pengonversian dari energi termal ke energi lain dibatasi oleh hukum Termodinamika II. Bentuk energi transisi dan energi termal adalah energi panas, dapat pula dalam bentuk energy tersimpan sebagai kalor "laten" atau kalor "sensible" yang berupa entalpi.

Gambar 04. Mesin konversi dari panas ke uap

1. Energi Angin

Energi angin merupakan energi yang tidak akan habis, material utama berupa angin dengan kecepatan tertentu yang mengenai turbin angin sehingga menjadi gerak mekanik dan listrik.

Gambar 05. Pemanfaatan energi angin

 

1. Klasifikasi Mesin-Mesin Konversi Energi

Mesin-mesin konversi energi secara sederhana dapat diklasifikasikan menjadi dua, yaitu mesin konversi energi konvensional dan mesin energy konversi non-konvensional. Mesin konversi energi konvensional umumnya menggunakan sumber energi konvensional yang tidak terbarui, kecuali turbin hidropower, dan umumnya dapat diklasifikasikan menjadi motor pembakaran dalam, motor pembakaran luar, mesin-mesin fluida, dan mesin pendingin dan pengkondisian udara. Mesin konversi energy non-konvensial umumya menggunakan energi yang dapat diperbarui, kecuali mesin energi konvensi berbahan dasar nuklir.

1. Motor pembakaran dalam

Motor pembakaran dalam dikembangkan oleh Motos Otto, atau Beau de Roches merupakan mesin pengonvesi energi tak langsung, yaitu dari energi bahan bakar menjadi energi panas dan kemudian baru menjadi energi mekanis. Energi kimia bahan bakar tidak dikonversikan langsung menjadi energi mekanis. Bahan bakar standar motor bensin adalah isooktan (C8H18). Efisiensi pengonversian energinya berkisar 30% (ηt ±30%). Hal ini karena kerugian 50% (panas, gesek/mekanis, dan pembakaran tak-sempurna). Sistem siklus kerja motor bensin dibedakan atas motor bensin dua langkah (two stroke), dan empat langkah (four stroke).

1. Motor Bensin Dua Langkah

Motor bensin dua langkah adalah motor yang pada dua langkah torak/piston (satu putaran engkol) sempurna akan menghasilkan satu langkah kerja.

a)    Langkah kompresi dimulai dengan penutupan saluran masuk dan keluar kemudian menekan isi silinder dan di bagian bawah, piston menghisap campuran bahan bakar udara bersih ke dalam rumah engkol. Bila piston mencapai titik mati atas, pembakaran dimulai.

b)    Langkah kerja atau ekspansi, dimuliai ketika piston bergerak mencapai titik tertentu sebelum titik mati atas busi memercikan bunga api, terjadilah kerja. Pada awalnya saluran buang dan saluran masuk terbuka. Sebagian besar gas yang terbakar keluar silinder dalam proses exhaust blowdown. Ketika saluran masuk terbuka, campuran bahan bakar dan udara bersih tertekan di dalam rumah engkol, mengalir ke dalam silinder. Piston dan saluran-saluran umumnya dibentuk membelokan campuran yang masuk langsung menuju saluran buang dan juga ditunjukkan untuk mendapatkan pembilasan gas residu secara efektif. Setiap siklus mesin dengan satu langkah tenaga diselesaikan dalam satu kali putaran poros engkol. Namun sulit untuk mengisi secara penuh volume langkah dengan campuran bersih, dan sebagian darinya mengalir langsung ke luar silinder selama langkah bilas.

1. Motor Bensin Empat Langkah

Motor bensin empat langkah adalah motor yang pada setiap empat langkah torak/piston (dua putaran engkol) sempurna menghasilkan satu tenaga kerja (satu langkah kerja).

Gambar 05. Siklus motor bensin 4 langkah

 

a)    Langkah pemasukan dimulai dengan katup masuk terbuka, piston bergerak dari titik mati atas dan berakhir ketika piston mencapai titik mati bawah. Udara dan bahan bakar terhisap ke dalam silinder. Langkah ini berakhir hingga katup masuk menutup.

b)    Langkah kompresi, diawali ketika kedua katup tertutup dan campuran di dalam silinder terkompresi sebagian kecil dari volume awalnya. Sesaat sebelum akhir langkah kompresi, pembakaran dimulai dan tekanan silinder naik lebih cepat.

c)    Langkah kerja, atau langkah ekspansi, yang dimulai saat piston hampir mencapai titik mati atas dan berakhir sekitar 45° sebelum titik mati bawah. Gas bertekanan tinggi menekan piston turun dan memaksa engkol berputar. Ketika piston mencapai titik mati bawah, katup buang terbuka untuk memulai proses pembuangan dan menurunkan tekanan silinder hingga mendekati tekanan pembuangan.

d)    Langkah pembuangan, dimulai ketika piston mencapai titik mati bawah. Ketika katup buang membuka, piston mendorong keluar sisa gas pembakaran hingga piston mencapai titik mati atas. Bila piston mencapai titik mati atas, katup masuk membuka, katup buang tertutup, demikian seterusnya..

e)    Perhitungan daya motor didasarkan pada dimensi mesin, antara lain:
 

Daya efektif    : Ne    = ((πD²/4).S.L.Pe.n)/(60.75.a)

Daya indikatif   : Ni    = ((πD²/4).S.L.Pi.n)/(60.75.a)

 

di mana     D    : diameter silinder (cm)

    L    : panjang langkah torak (m)

    I    : jumlah silinder

    Pe   : tekanan efek rata-rata (kgf/cm²)

    Pi   : tekanan indikatif rata-rata (kgf/cm²)

    N    : putaran mesin (rpm)

    a    : - dua langkah a=1

     - empat langkah a=2

1. Turbin

Turbin adalah mesin penggerak, di mana energi fluida kerja dipergunakan langsung untuk memutar roda turbin. Jadi, berbeda dengan yang terjadi pada mesin torak, pada turbin tidak terdapat bagian mesin yang bergerak translasi. Bagian berputar dinamai stator atau rumah turbin. Roda turbin terletak di dalam rumah turbin dan roda turbin memutar poros daya yang menggerakkan atau memutar bebannya (generator listrik, pompa, kompresor, baling-baling atau mesin lainnya). Di dalam turbin fluida kerja mengalami proses ekspansi, yaitu proses penurunan tekanan, dan mengalir secara kontinu. Fluida kerjanya dapat berupa air, uap air, atau gas.

Gambar 06. Turbin air

 

Turbin dilengkapi dengan sudu-sudu. Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja akan mengalir melalui ruang di antara sudu tersebut. Apabila kemudian ternyata bahwa roda turbin dapat berputar, maka akan timbul gaya yang bekerja pada sudu. Gaya tersebut timbul karena terjadinya perubahan momentum dari fluida kerja yang mengalir di antara sudu. Jadi, sudu turbin haruslah dibentuk sedemikian rupa sehingga dapat terjadi perubahan momentum pada fluida kerja tersebut.

Gambar 07. Turbin gas