3.4 Memahami proses mesin konversi energi

 

A.     Tujuan  Pembelajaran

·      Melalui langkah pembelajaran model Discovery Learning dengan pendekatan saintifik peserta didik memahami proses mesin konversi energi, mengajukan pertanyaan, mengajukan jawaban sementara, mengumpulkan data, menganalisa data, menyusun simpulan untuk dapat mencapai kompetensi pengetahuan (memahami, menerapkan, menganalisis, dan mengevaluasi),

 

·      Melalui langkah pembelajaran model Discovery Learning dengan pendekatan saintifik peserta didik mendemontrasikan mesin konversi energi, mengajukan pertanyaan, mengajukan jawaban sementara, mengumpulkan data, menganalisa data, menyusun simpulan untuk dapat mencapai kompetensi keterampilan (mengamati, mencoba, menyaji, dan menalar), dan sikap (jujur, santun, dan tanggungjawab).

Mesin Konversi Energi  

 

1.      Pengertian/ Definisi Mesin Konversi Energi

Mesin adalah suatu alat yang menghasilkan suatu gerak/kerja. Dari uraian diatas, dapat disimpulkan Mesin Konversi Energi adalah suatu alat yang mengubah suatu energi menjadi energi yang lain sehingga menghasilkan suatu kerja/usaha yang dimanfaatkan untuk kepentingan manusia.

 

2.      Macam – Macam Mesin Konversi Energi adalah sebagai berikut :

A.  MOTOR BAKAR

Motor bakar, merupakan suatu pesawat kerja yang mengubah energi kimia dari campuran bahan bakar menjadi energi mekanik naik turunnya poros engkol.

 

Jika ditinjau dari cara memperoleh energi termal ini (proses pembakaran bahan bakar), maka motor bakar dapat dibagi menjadi 2 golongan yaitu: motor pembakaranluar dan motor pembakaran dalam.

1.   Motor pembakaran luar

Pada motor pembakaran luar ini, proses pembakaran bahan bakar terjadi di luar mesin itu, sehingga untuk melaksanakan pembakaran digunakan mesin tersendiri. Panas dari hasil pembakaran bahan bakar tidak langsung diubah menjadi tenaga gerak, tetapi terlebih dulu melalui media penghantar, baru kemudian diubah menjadi tenaga mekanik. Misalnya pada ketel uap dan turbin uap.

2.   Motor pembakaran dalam

Pada motor pembakaran dalam, proses pembakaran bahan bakar terjadi didalam mesin itu sendiri, sehingga panas dari hasil pembakaran langsung bisa diubah menjadi tenaga mekanik. Misalnya : pada turbin gas, motor bakar torak dan mesin propulasi pancar gas.

Contoh alat transportasi yang menggunakan prinsip kerja motor pembakaran dalam: Turbin pada pesawat terbang, sepeda motor, mobil, truck,

 

Berdasarkan Prinsip kerjanya motor bakar dibagi atas 3 macam, yaitu :

1.   Motor Bakar Bensin

Pada motor bensin, bensin dibakar untuk memperoleh energi termal. Energi ini selanjutnya digunakan untuk melakukan gerakan mekanik.

 

Prinsip kerja motor bensin, secara sederhana dapat dijelaskan sebagai berikut : campuran udara dan bensin dari karburator diisap masuk ke dalam silinder, dimampatkan oleh gerak naik torak, dibakar oleh percikan bunga api dari busi untuk memperoleh tenaga panas, yang mana dengan terbakarnya gas-gas akan mempertinggi suhu dan tekanan didalam ruang siliinder, sehingga torak bergerak turun naik di dalam silinder akibat tekanan tinggi pembakaran, Gerak naik turun piston kemudian diubah batang torak menjadi gerak putar poros engkol. Melalui mekanisme katup yang terhubung ke poros engkol pengaturan pembukaan katup masuk bahan bakar dan katup pembuangan sisa-sisa pembakaran dilakukan secara periodik

Contoh kendaraan yang menggunakan Prinsip kerja motor bensin :

 

2.   Motor Bakar Diesel

Motor diesel disebut dengan motor penyalaan kompresi (compression ignition engine) karena penyalaan bahan bakarnya diakibatkan oleh suhu kompresi udara dalam ruang bakar. Dan menggunakan bahan bakar solar dalam pembakarannya.

 

Prinsip kerja motor bakar diesel

Cara pembakaran dan pengatomisasian (atomizing) bahan bakar pada motor diesel tidak sama dengan motor bensin. Pada motor diesel yang diisap oleh torak dan dimasukkan ke dalam ruang bakar hanya udara, yang selanjutnya udara tersebut dikompresikan sampai mencapai suhu dan tekanan yang tinggi. Beberapa saat sebelum torak mencapai titik mati atas (TMA) bahan bakar solar diinjeksikan ke dalam ruang bakar. Dengan suhu dan tekanan udara dalam silinder yang cukup tinggi maka partikel-partikel bahan bakar akan menyala dengan sendirinya sehingga membentuk proses pembakaran. Agar bahan bakar solar dapat terbakar sendiri, maka diperlukan rasio kompresi 15-22 dan suhu udara kompresi kira-kira 600ºC.

 

3.   Motor Bakar Wankel

Dikenal juga dengan nama mesin rotari ( rotaryengine), yaitu tipe mesin yang trdiri atas rotor berbentuk segitiga sama sisi yang berputar dalam stator. Dibandingkan motor torak, getaran motor wankel lebih halus, karena tidak banyak bagian yang bergerak. Selain itu lebih ringan dan lebih kecil ukurannya.

 

Untuk ukuran yang sama besar, mesin wankel dapat menghasilkan tenaga gerak dua kali lebih besar daripada mesin torak konvensional. Secara umum, bagian utama dari mesin ini adalah rotor segitiga sama sisi dengan bentuk ruang pembakaran berbentuk epitrokoida.

 

Rotor bergerak sedemikian rupa sehingga ujungnya senantiasa menyentuh dinding ruang pembakaran yang terbagi atas 3 bidang. Dalam tiga bidang tersebut terjadi tiga proses utama operasi sebuah mesin, yaitu, pemampatan bahan bakar, pembakaran bahan bakar, dan pembuangan bahan bakar.

 

B.  TURBIN GAS

Gas-turbine engine adalah suatu alat yang memanfaatkan gas sebagai fluida untuk memutar turbin dengan pembakaran internal. Didalam turbin gas energi kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik melalui udara bertekanan yang memutar roda turbin sehingga menghasilkan daya. Sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen yaitu kompresor, ruang bakar dan turbin gas.

 

Prinsip Kerja Sistem Turbin Gas (Gas-Turbine Engine)

Udara masuk kedalam kompresor melalui saluran masuk udara (inlet). Kompresor berfungsi untuk menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, sehingga temperatur udara juga meningkat. Kemudian udara bertekanan ini masuk kedalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar dilakukan proses pembakaran dengan cara mencampurkan udara bertekanan dan bahan bakar.

 

Proses pembakaran tersebut berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehingga dapat dikatakan ruang bakar hanya untuk menaikkan temperatur. Gas hasil pembakaran tersebut dialirkan ke turbin gas melalui suatu nozel yang berfungsi untuk mengarahkan aliran tersebut ke sudu-sudu turbin. Daya yang dihasilkan oleh turbin gas tersebut digunakan untuk memutar kompresornya sendiri dan memutar beban lainnya seperti generator listrik, dll. Setelah melewati turbin ini gas tersebut akan dibuang keluar melalui saluran buang (exhaust).

 

C.  MOTOR LISTRIK

Motor Listrik merupakan sebuah perangkat elektromagnetik yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk, misalnya memutar impeller pompa, fan atau blower, menggerakan kompresor, mengangkat bahan, dll di industri dan digunakan juga pada peralatan listrik rumah tangga (seperti: mixer, mobil listrik, speda motor listrik, pompa air dsb)

 

Prinsip Kerja Sistem Motor Listrik

Bagian yang menuju kutub utara kawat konduktor dan yang menuju kutub selatan menerima gaya dari arah vertikal berlawanan sehingga kawat konduktor berputar. Ini disebut prinsip putaran motor.

 

Konstruksi Motor Listrik

 

Contoh alat transportasi yang menggunakan prinsip kerja Motor Listrik

 

D.  KOMPRESOR

Kompresor adalah alat pemampat atau pengkompresi udara dengan kata lain kompresor adalah penghasil udara mampat. Karena proses pemampatan, udara mempunyai tekanan yang lebih tinggi dibandingkan dengan tekanan udara lingkungan

 

Komponen – komponen Kompressor

Konstruksi kompressor jenis torak/piston antara lain meliputi :

1.   Silinder Dan Kepala Silinder

Merupakan bejana kedap udara dimana torak bergerak bolak-balik untuk menghisap dan memampatkan udara. Pada umumnya terbuat dari besi cor dengan tekanan kurang dari 50 kgf/cm2 (4,9 MPa).

 

2.   Torak Dan Cincin Torak

Berfungsi untuk melakukan kompresi terhadap udara/gas, sehingga torak harus kuat menahan tekanan dan panas.

 

3.   Katup Katup

Katup – katup pada kompressor berfungsi untuk membuka dan menutup secara otoamtis tanpa mekanisme penggerak katup. Dimana pembukaan katup tergantung dari perbedaan tekanan yang terjadi antara bagian dalam dan bagian luar silinder.

 

4.   Poros Engkol Dan Batang Torak,

Poros engkol berfungsi untuk mengubah gerakan putar menjadi gerak bolak-balik.

 

5.   Kotak Engkol

Berfungsi sebagai dudukan bantalan engkol yang bekerja menahan beban inersia dari masa yang bergerak bolak balik serta gaya pada torak.

 

6.   Pengatur Kapasitas

Mengatur batas volume dan tekanan yang dihasilkan kompressor dengan menggunakan alat yang biasa disebut pembebas beban (unloader).

 

7.   Transmisi Daya, Sebagai penggerak kompressor pada umumnya memakai motor listrik atau motor bakar torak.

C Motor Listrik

Pada umumnya diklasifikasi menjadi dua yaitu motor induksi dan motor sikron.

C Motor Bakar

Motor bakar biasa digunakan sebagai penggerak kompressor bila tidak tersedia sumber listrik ditempat pemasangan kompressor, atau sebagai kompressor portable. Motor bensin bisanya digunakan dengan daya s.d. 5,5 kW sedangkan untuk daya yang lebih besar digunakan motor bakar diesel.

 

Prinsip Kerja Sistem Kompresor

1.   Langkah Hisap : Udara masuk kompresor karena tekanan di dalam silinder lebih rendah dari 1 atm

2.   Langkah Kompresi : udara di dalam kompresor dikompresi, tekanan dan temperatur udara naik

3.   Langkah Pengeluaran : Karena tekanan udara mampat katup keluar terbuka danudara mampat ke luar silinder

 

Penggunaan Udara Kompressor

C Rem pada bis dan kereta api

C Pintu pneumatik pada bis dan kereta api

 

E.  REFRIGASI (PENGKONDISI UDARA)

Mesin refrigerasi secara umum digunakan untuk pengkondisian udara suatu ruangan,rumah atau industri, sehingga setiap orang yang berada pada ruangan tersebut akan merasa nyaman. Alat ini biasa disebut dengan Air Conditioning.

 

Komponen sistem Refrigasi Mobil

1.      Kompressor

Fungsi compressor pada sistem pendinginan uap (vapor compression system) ada dua macam:

C  untuk mengalirkan uap refrigeran yang mengandung sejumlah panas dari evaporator.

C  Untuk menaikan temperatur uap refrigeran sampai mencapai titik saturasinya (jenuh), titik tersebut lebih tinggi daripada temperatur medium pendinginnya.

 

Compressor mengambil uap panas pada temperatur rendah di dalam evaporator dan memompakannya ke tingkat temperatur yang lebih tinggi di dalam kondensor, oleh karena itu biasa juga compressor itu disebut heat pump Compressor tersebut dibuat oleh beberapa pabrikan seperti Tecumseh, Nippondenso, York, Delco Air, Sankyo dan lain-lain, dengan bermacam-macam model sesuai dengan kebutuhannya. Pabrikan compressor yang terkenal di Indonesia adalah Nippondenso. Compressor yang digunakan di AC mobil umumnya menggunakan silender (piston) yang terdiri atas satu sampai enam silender.

2.      Kondensor adalah komponen penukar panas yang berfungsi untuk mengkondensasikan gas refrigeran dari compressor.

3.      Evaporator adalah penukar kalor yang di dalamnya mengalir cairan refrigeran yang berfungsi sebagai penyerap panas dari produk yang didinginkannya sambil berubah phasa.

4.      Refrigeran adalah bahan pendingin berupa fluida yang digunakan untuk menyerap panas melalui perubahan phasa cair ke gas (menguap) dan membuang panas melalui perubahan phasa gas ke cair (mengembun).

5.      Komponen Kelistrikan

Rangkaian kelistrikan pada sistem AC mobil adalah sangat sederhana seperti terlihat pada gambar 22. Umumnya terdiri atas beberapa komponen seperti : thermostat, fuse, motor blower, kopling magnet (magnetik clutch) dan pusat pengatur kecepatan blower (master control).

6.      Fuse

Fuse digunakan untuk menjaga komponen AC dan komponen kelistrikan lainnya dari arus yang berlebih. Ukuran fuse yang digunakan biasanya berada pada kisaran 20 A– 30 A, bergantung pada sistem kelistrikan yang direncanakan.

7.      Komponen Kontrol (Matering device)

Komponen kontrol refrigeran merupakan suatu tahanan yang tempatnya berada diantara sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah.

8.      Magnetik Clutch

Magnetik clutch berfungsi untuk menghubungkan dan memutuskan kompressor dari daya gerak mesin.

9.      Master Control

Pada umumnya master control termasuk ke dalam perlengkapan pengatur kecepatan blower.

10.   Blower Motor

Blower digunakan untuk menarik udara segar (fresh) atau udara sirkulasi ke dalam ruang penumpang yang sebelumnya dilewatkan melalui evaporator atau heater.

 

F.  SEL BAHAN BAKAR  (fuel cell)

Adalah Fuel cell pada dasarnya mirip dengan baterai yaitu sumber daya yang menggunakan reaksi kimia untuk menghasilkan arus listrik. Perbedaannya terletak pada sumber energi yang didapat, jika baterai memanfaatkan reaksi kimia dan membutuhkan pengisian daya untuk mendapatkan arus listrik maka fuel cell tidak membutuhkan pengisian daya melainkan pengisian bahan bakar. Jadi fuel cell memanfaatkan bahan bakar untuk direaksikan secara elektrolisis untuk menghasilkan elektron dan mengalirkan arus listrik. Salah satu bahan bakar yang sering digunakan untuk fuel cell adalah hidrogen.

 

G. Solar cell

Solar cell adalah suatu alat yang mampu mengubah energi panas matahari menjadi energi listrik. Dalam perkembangan energi listrik mampu dimanfaatkan menjadi berbagai macam energi lainnya, salah satu contohnya energi gerak.

 

Secara sederhana solar cell terdiri dari persambungan bahan semikonduktor bertipe p dan n (p-n junction semiconductor) yang jika tertimpa sinar matahari maka akan terjadi aliran electron, nah aliran electron inilah yang disebut sebagai aliran arus listrik.