mesin uap

TUGAS KETEL UAP

“ RESUME MESIN UAP ”

Tugas  ini Disusun untuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah Ketel Uap

Dosen pengampu : Drs. Suwachid, M.Pd., M.T.

Disusun Oleh:

SUPARYANI

K2512070

Program Studi Pendidikan Teknik Mesin

Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan

Universitas Sebelas Maret

Surakarta

2014

1.     PENGERTIAN MESIN UAP

Mesin uap adalah mesin yang menggunakan energi panas dalam uap air dan mengubahnya menjadi energi mekanis. Mesin uap digunakan dalam pompa, lokomotif dan kapal laut, dan sangat penting dalam Revolusi Industri.

Mesin uap merupakan mesin pembakaran eksternal, dengan cairan yang terpisah dari hasil pembakaran. Sumber panas yang dapat digunakan yaitu tenaga surya, tenaga nuklir, atau tenaga panas bumi. Jika uap berkembang melalui piston atau turbin, akan menyebabkan kerja mekanik.

Contoh mesin uap 1 silinder

Mesin uap (steam engines) masuk dalam kategori pesawat kalor, yaitu peralatan yang digunakan untuk merubah tenaga termis dari bahan bakar menjadi tenaga mekanis melalui proses pembakaran. Ada dua jenis pesawat kalor yaitu Internal Combustion Engines/ICE (motor pembakaran dalam) dan External Combustion Engines/ECE (motor pembakaran luar). Pada pesawat kalor jenis ICE,  proses pembakaran bahan bakar untuk mengasilkan tenaga mekanis dilakukan didalam peralatan itu sendiri; sedangkan pada ECE, peralatan ini hanya merubah tenaga termis menjadi tenaga mekanis  adapun proses pembakaran dilakukan diluar peralatan tersebut.

Contoh dari pesawat kalor jenis ICE adalah motor bensin dan motor disel yang sangat populer sebagai prime mover baik untuk otomotif maupun untuk industri. Pada motor bensin dan motor disel proses pembakaran bahan bakar (bensin/solar) dilakukan didalam silinder motor itu sendiri dan perubahan tenaga termis hasil pembakaran menjadi tenaga mekanis juga dilakukan didalam pesawat itu sendiri melalui gerakan kian kemari dari piston menjadi gerakan putaran dari crank shaft.

Mesin uap menggunakan uap air sebagai media penghantar kalor. Uap biasa disebut sebagai zat kerja mesin uap. Terdapat dua jenis mesin uap, yakni mesin uap tipe bolak balik dan mesin uap turbin (turbin uap). Rancangan alatnya sedikit berbeda tetapi kedua jenis mesin uap ini mempunyai kesamaan, yakni menggunakan uap yang dipanaskan oleh pembakaran minyak, gas, batu bara atau menggunakan energi nuklir.

a. Mesin uap tipe bolak balik

Air dalam wadah biasanya dipanaskan pada tekanan yang tinggi. Karena dipanaskan pada tekanan yang tinggi maka proses pendidihan air terjadi pada suhu yang tinggi (ingat pembahasan mengenai pendidihan Teori kinetik gas).Suhu berbanding lurus dengan tekanan. Semakin tinggi suhu uap, semakin besar tekanan uap. Uap bersuhu tinggi atau uap bertekanan tinggi tersebut bergerak melewati katup masukan dan memuai terhadap piston. Ketika memuai, uap mendorong piston sehingga piston meluncur ke kanan. Dalam hal ini, sebagian kalor uap berubah menjadi energi kinetik (uap melakukan kerjaterhadap piston -- W = Fs). Pada saat piston bergerak kekanan, roda yang dihubungkan dengan piston berputar (1). Setelah melakukan setengah putaran, roda menekan piston kembali ke posisinya semula(2). Ketika piston bergerak ke kiri, katup masukan dengan sendirinya tertutup, sebaliknya katup pembuangan dengan sendirinya terbuka. Uap tersebut dikondensasi oleh kondensor sehingga berubah menjadi embun (embun = air yang berasal dari uap). Selanjutnya, air yang ada di dalam kondensordipompa kembali ke wadah untuk dididihkan lagi. Demikian seterusnya karena prosesnya terjadi secara berulang-ulang maka pistonbergerak ke kanan dan ke kiri secara terus menerus. Maka roda pun berputar secara terus menerus.Putaran roda bisaa digunakan untuk menggerakan sesuatu.

Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin uap tipe bolak balik di atas bisa dijelaskan seperti ini : Bahan bakar fosil (batu bara/minyak/gas) memiliki energi potensial kimia. Ketika bahan bakar fosil dibakar, energi potensial kimia berubah bentuk menjadi kalor. Kalor yang diperoleh dari hasil pembakaran bahan bakar fosil digunakan untuk memanaskan air (kalor berpindah menuju air dan uap). Selanjutnya sebagian kalor pada uap berubah bentuk menjadi energy kinetik translasi piston, sebagian lagi diubah menjadi energi dalam air. Sebagian besar energi kinetic translasi piston berubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar, sebagian kecil berubah menjadi kalor (kalor timbul akibat adanya gesekan antara piston dengan silinder). Jikadigunakan untuk membangkitkan listrik maka energi kinetik rotasi roda pemutar berubah bentuk menjadi energi listrik.

b. Turbin uap

Pada dasarnya prinsip kerja turbin uap sama dengan mesin uap tipe bolak balik. Perbedaannya mesin uap tipe bolak balik menggunakan piston, sedangkan turbin uap menggunakan turbin. Pada mesin uap tipe bolak-balik, kalor diubah terlebih dahulu menjadi energi kinetik translasi piston. Setelah itu energi kinetic translasi piston diubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar.Pada turbin uap, kalor langsung diubah menjadi energi kinetik rotasi turbin.Turbin bisa berputar akibat adanya perbedaan tekanan. Suhu uap sebelah atas bilah jauh lebih besar daripada suhu uap sebelah bawah bilah (bilah adalah lempeng tipis yang ada di tengah turbin). Ingat, suhu berbanding lurus dengan tekanan. Karena suhu uap pada sebelah atas bilah lebih besar dari suhu uap pada sebelah bawah bilah maka tekanan uap pada sebelah atas bilah lebih besar daripada tekanan uap pada sebelah bawah bilah. Adanya perbedaan tekanan menyebabkan uap mendorong bilah ke bawah sehingga turbin berputar.

Perlu diketahui bahwa prinsip kerja mesin uap didasarkan pada diagram perpindahan energi yang telah dijelaskan di atas. Dalam hal ini, energi mekanik bisa dihasilkan apabila kita membiarkan kalor mengalir dari benda atau tempat bersuhu tinggi menuju benda atau tempat bersuhu rendah. Dengan demikian,perbedaan suhu sangat diperlukan pada mesin uap. Apabila kita memperhatikan cara kerja mesin uap tipe bolak balik, tampak bahwa piston tetap bisa bergerak ke kanan dan ke kiri walaupun tidak ada perbedaan suhu (tidak ada kondensor dan pompa). Piston bisa bergerak ke kanan akibat adanya pemuaian uap bersuhu tinggi atau uap bertekanan tinggi. Dalam hal ini, sebagian kalor pada uap berubah menjadi energi kinetik translasi piston. Energi kinetic translasi piston kemudian berubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar. Setelah melakukan setengah putaran, roda akan menekan piston kembali ke kiri. Ketika roda menekan piston kembali ke kiri, energi kinetik rotasi roda berubah lagi menjadi energi kinetik translasi piston. Ketika piston bergerak ke kiri, piston mendorong uap yang ada dalam silinder. Pada saat yang sama, katup pembuangan terbuka. Dengan demikian, uap yang didorong piston tadi akan mendorong temannya ada di sebelah bawah katup pembuangan. Apabila suhu uap yang berada di sebelah bawah katup pembuangan adalah suhu uap yang didorong piston, makasem u a energi kinetik translasi piston akan berubah lagi menjadi energi dalam uap. Energi dalam berbanding lurus dengan suhu. Kalau energi dalam uap bertambah maka suhu uap meningkat. Suhu berbanding lurus dengan tekanan. Kalau suhu uap meningkat maka tekanan uap juga meningkat. Dengan demikian, tekanan uap yang dibuang melalui katup pembuangan adalah tekanan uap yang masuk melalui katup masukan. Piston akan tetap bergerak ke kanan dan ke kiri seterusnya tetapi tidak akan ada energi kinetik total yang bisa dimanfaatkan (tidak ada kerja total yang dihasilkan). Jadi energi kinetik yang diterima oleh piston selama proses pemuaian (piston bergerak ke kanan) akan dikembalikan lagi kepada uap selama proses penekanan (piston bergerak ke kiri).

Dari penjelasan sebelumnya, kita bisa menyimpulkan bahwa perbedaan suhu dalam mesin uap tetap diperlukan. Perbedaan suhu dalam mesin uap bisa diperoleh dengan memanfaatkan kondensor. Ketika suhu dan tekanan uap yang berada di sebelah bawah katup pembuangan jauh lebih kecil dari pada suhu dan tekanan uap yang berada di dalam silinder, maka ketika piston bergerak kembali ke kiri, besarnya tekanan yang dilakukan piston terhadap uap jauh lebih kecil daripada besarnya tekanan yang diberikan uap kepada piston ketika piston bergerak ke kanan. Dengan kata lain, besarnya usaha yang dilakukan piston terhadap uap jauh lebih kecil daripada besarnya kerja yang dilakukan uap terhadap piston (W =Fs). Jadi hanya sebagian kecil energy kinetik piston yang dikembalikan lagi pada uap. Dengan demikian akan ada energi kinetik total atau kerja total yang dihasilkan.

Mesin tenaga uap merupakan jenis mesin pembakaran luar [gambar 19.1] dimana fluida kerja dengan sumber energi terpisah. Sumber energi kalor dari proses pembakaran digunakan untuk membangkitkan uap panas. Uap panas dibangkitkan di dalam boiler atau sering disebut ketel uap. Untuk memperoleh uap dengan temperatur yang tinggi digunakan reheater. Pada reheater uap dipanaskan lagi menjadi uap panas lanjut sehingga temperaturnya naik. Selanjutnya uap panas dimasukan ke Turbin Uap untuk diekspansi yang akan menghasilkan energi mekanik.

Di dalam turbin uap energi uap panas dikonversi menjadi energi mekanik di dalam sudu-sudu turbin uap. Energi mekanik yang berupa putaran poros turbin uap akan menggerakan generator pada instalasi pembangkit listrik tenaga uap.

2.      PRINSIP KERJA MESIN UAP

Mesin uap mengandalkan uap yang memiliki energi kinetik dan entalpi tinggi untuk memutar turbin. Uap dihasilkan dari air. Air dipanaskan oleh sesuatu (minyak, batu bara, gas bumi, nuklir, sinar matahari, dsb) dan menghasilkan uap. Uap melalui suatu pipa, dan pipa dipersempit untuk menghasilkan kecepatan dan tekanan yang tinggi (prinsip mekanika fluida). Kecepatan yang tinggi akan menyebabkan uap memiliki energi kinetik yang tinggi, sehingga dapat memutar turbin lebih cepat, namun tidak mampu memutar turbin yang lebih besar. Pengaturan tekanan uap menjadi hal yang sangat krusial dalam penentuan efisiensi kerja mesin uap, seperti halnya desain turbin dan energi input yang dibutuhkannya, karena pada dasarnya mesin uap merupakan mesin kalor (prinsip termodinamika).

3.      CARA KERJA MESIN UAP

Didalam cylinder mesin uap terdapat piston yang mempunyai piston rod yang dihubungkan dengan cross head yang berada diluar cylinder. Cross head dihubungkan oleh connecting rod dengan crank shaft (tidak tampak pada gambar), sehingga apabila piston bergerak kian kemari maka crank shaft dapat berputar.

Slide valve yang mempunyai valve rod digerakkan oleh crank shaft melalui eksentrik, sehingga slide valve dapat bergerak kian kemari sambil membuka dan menutup dua buah lubang uap yang berhubungan dengan cylinder. Valve box dimana slide valve berada mempunyai dua saluran, saluran pemasukan yang dihubungkan dengan boiler untuk menyalurkan uap dengan tekanan tinggi (warna merah), dan saluran pembuangan yang dihubungkan dengan cerobong untuk membuang uap bekas (warna biru).

Pada waktu piston mencapai posisi paling kiri, maka slide valve akan membuka lubang uap cylinder bagian kiri sehingga uap dari boiler dapat masuk kedalam cylinder pada bagian kiri dari piston dan mendorong piston kekanan, sementara itu lubang uap sebelah kanan dihubungkan dengan saluran pembuangan sehingga uap bekas dapat terbuang keluar melalui cerobong. Sebelum akhir langkah piston, lubang uap tersebut sudah ditutup oleh slide valve sehingga pasokan uap terhenti namun piston tetap bergerak kekanan karena ekpansi dari uap.

Pada waktu piston mencapai posisi paling kanan, maka slide valve akan membuka lubang uap cylinder bagian kanan sehingga uap dari boiler dapat masuk kedalam cylinder pada bagian kanan piston dan mendorong piston kekiri, sementara itu lubang uap sebelah kiri dihubungkan dengan saluran pembuangan sehingga uap bekas dapat terbuang melalui cerobong. Sebelum akhir langkah piston, lubang uap tersebut sudah ditutup oleh slide valve sehingga pasokan uap terhenti namun piston tetap bergerak kekanan karena ekpansi dari uap.

Karena cross head dengan crank shaft dihubungkan oleh connecting rod, maka gerakan kian kemari dari piston tersebut akan diubah menjadi gerakan putaran dari crank shaft. Demikian selama ada pasokan uap dari boiler maka mesin uap akan merubah menjadi tenaga mekanis dengan gerakan putaran dari crank shaft.

Lokomotif uap biasanya mempunyai 2 buah mesin uap yang dipasang dikanan dan kiri lokomotif, gerakan putaran yang dihasilkan oleh kedua buah mesin uap tersebut langsung digunakan untuk memutarkan roda lokomatif sehingga mampu menarik seluruh rangkaian kereta api (lihat gambar dibawa ini).

                                    I.            PERBEDAAN ANTARA MESIN UAP DENGAN MOTOR BENSIN/DIESEL

Pada motor bakar, tidak terdapat proses perpindahan kalor dari gas pembakaran ke fluida kerja. Karena itu, jumlah komponen dari motor bakar menjadi lebih sedikit dibandingkan dengan mesin uap. Sehingga motor bakar menjadi lebih sederhana, lebih kompak, dan lebih ringan jika dibandingkan dengan mesin uap. Karena itu pula penggunaan motor bakar piston di bidang transfortasi menjadi sangat menguntungkan. Disamping itu, temperatur temperatur seluruh bagian mesinnya jauh lebih rendah daripada temperatur gas pembakaran yang maksimum, sehingga motor bakar piston bisa lebih efisien daripada mesin uap. 

Namun demikian hal itu tidak berarti mesin uap tidak memiliki kelebihannya sendiri. Mesin uap lebih menguntungkan jika dipandang dari hal berikut:

1)      Mesin uap lebih leluasa mempergunakan bermacam-macam bahan bakar, termasuk bahan bakar padat.

2)      Mesin uap lebih bebas dari getaran

3)      Turbin uap lebih praktis dipakai untuk daya tinggi, misalnya untuk tenaga 2000 PS* atau lebih

DAFTAR PUSTAKA

id.wikipedia.org/wiki/Mesin_uap

http://penjagahati-zone.blogspot.com/2011/05/prinsip-kerja-mesin-uap.html

http://fisikasmasmk.blogspot.com/2012/02/carakerja-mesin-uap.html

http://catatan-piper-comex.blogspot.com/2011/08/motor-bakar-vs-mesin-uap.html