Mesin Uap

>>Definisi :

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

>>Penemu mesin uap

James Watt (19 January 1736 - 25 Agustus 1819) adalah penemu yang mengembangkan mesin uap yang menjadi dasar dari Revolusi Industri.

James Watt lahir pada tanggal 19 Januari, 1736 di Greenock, satu kota pelabuhan laut di Firth Clyde, Skotlandia. Ayahnya adalah pemilik kapal dan kontraktor, sedangkan ibunya, Agnes Muirhead, datang dari keluarga terhormat dan berpendidikan.

Watt bersekolah secara tak teratur tetapi dan lebih banyak mendapat pendidikan di rumah oleh ibunya. Dia menunjukkan ketangkasan yang luar biasa dan bakat untuk ilmu pasti seperti matematika, walaupun bahasa Latin dan Yunani tidak menggerakkan hatinya, dia menyukai legenda dan cerita rakyat Skotlandia.

Ketika dia berumur 18 tahun, ibunya meninggal dan kesehatan ayahnya perlahan-lahan mulai merosot, Watt melakukan perjalanan ke London untuk melanjutkan study tentang pembuatan instrument dan peralatan selama satu tahun, kemudian kembali ke Skotlandia dengan tujuan membuat sendiri bisnis pembuatan instrumennya. Tetapi karena dia tidak menyelesaikan tujuh tahun study nya sebagai apprentice (murid yang bekerja sambil belajar), permohonan untuk membuka bisnis tersebut terhambat, walaupun pada saat itu belum ada pembuat instrumen dan peralatan matematika di Skotlandia.

Dengan dibantu oleh tiga orang professor yang ada di Universitas Glasgow, James Watt akhirnya diberi kesempatan untuk membuka workshop (bengkel) kecil di universitas.

Empat tahun setelah membuka tokonya, James Watt mulai melakukan percobaan dengan uap setelah temannya, Professor John Robison, membuat dia tertarik pada mesin tersebut. Pada saat itu, Watt sama sekali tidak pernah mengoperasikan mesin uap, tetapi dia tetap berusaha untuk membuat satu model mesin. Walaupun gagal, dia tetap melanjutkan percobaannya dan mulai membaca apa saja yang bisa dibacanya. Dia kemudian secara terpisah menemukan pentingnya energi panas yang ditimbulkan dan diserap oleh tiap-tiap obyek untuk mengerti lebih jauh tentang mesin. pada tahun 1765 dia berhasil membuat sebuah model mesin yang dapat bekerja dengan baik.

Sebagai penghargaan atas jasa-jasanya atas pengembangan mesin uap yang memicu revolusi industri, nama Watt diabadikan dan dijadikan sebagai satuan energi dengan symbol W oleh International System of Units (atau 'SI') seperti yang kita kenal sekarang.

>>Jenis nmesin uap dan cara kerjanya

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.

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). Biasanya air mendidih (air mendidih = air berubah menjadi uap) sekitar suhu 500 ^oC. 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 alias panas pada uap berubah menjadi energi kinetik (uap melakukan kerja terhadap piston — W = Fs). Pada saat piston bergerak ke kanan, 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 kondensor dipompa kembali ke wadah untuk dididihkan lagi. Demikian seterusnya, Karena prosesnya terjadi secara berulang-ulang maka piston bergerak ke kanan dan ke kiri secara terus menerus. Karena piston bergerak ke kanan dan ke kiri secara terus menerus maka roda pun berputar secara terus menerus. Putaran roda biasanya digunakan untuk menggerakan sesuata(roda,dll)

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 alias panas. Kalor alias panas 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 energi kinetik translasi piston, sebagian lagi diubah menjadi energi dalam air. Sebagian besar energi kinetik translasi piston berubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar, sebagian kecil berubah menjadi kalor alias panas (kalor alias panas timbul akibat adanya gesekan antara piston dengan silinder). Jika digunakan untuk membangkitkan listrik maka energi kinetik rotasi roda pemutar bentuk menjadi energi listrik Dst.

Turbin uap

Pada dasarnya prinsip kerja turbin uap sama dengan mesin uap tipe bolak balik. Bedanya 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 kinetik translasi piston diubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar. sedangkan, 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 tuh lempeng tipis yang ada di tengah turbin). Ingat ya, suhu berbading 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 si uap mendorong bilah ke bawah sehingga turbin berputar. Arah putaran turbin tampak seperti gambar di bawah…

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 diperhatikan 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 kinetik 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. sedangkan, apabila suhu uap yang berada di sebelah bawah katup pembuangan = suhu uap yang didorong piston, maka semua energi kinetik translasi piston akan berubah lagi menjadi energi dalam uap. Energi dalam berbanding lurus dengan suhu. Jika energi dalam uap bertambah maka suhu uap meningkat. Suhu berbanding lurus dengan tekanan. Jika suhu uap meningkat maka tekanan uap juga meningkat. Dengan demikian, tekanan uap yang dibuang melalui katup pembuangan = 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).

>>Siklus termo dalam mesin uap

Siklus Rankine(siklus dalam mesin uap) adalah siklus termodinamika yang mengubah panas menjadi kerja. Panas disuplai secara eksternal pada aliran tertutup, yang biasanya menggunakan air sebagai fluida yang bergerak. Siklus ini menghasilkan 80% dari seluruh energi listrik yang dihasilkan di seluruh dunia. Siklus ini dinamai untuk mengenang ilmuwan Skotlandia, William John Maqcuorn Rankine.

Siklus Rankine adalah model operasi mesin uap panas yang secara umum ditemukan di pembangkit listrik. Sumber panas yang utama untuk siklus Rankine adalah batu bara, gas alam, minyak bumi, nuklir, dan panas matahari.

Siklus Rankine terkadang diaplikasikan sebagai siklus Carnot, terutama dalam menghitung efisiensi. Perbedaannya hanyalah siklus ini menggunakan fluida yang bertekanan, bukan gas. Efisiensi siklus Rankine biasanya dibatasi oleh fluidanya. Tanpa tekanan yang mengarah pada keadaan super kritis, range temperatur akan cukup kecil. Uap memasuki turbin pada temperatur 565 oC (batas ketahanan stainless steel) dan kondenser bertemperatur sekitar 30 oC. Hal ini memberikan efisiensi Carnot secara teoritis sebesar 63%, namun kenyataannya efisiensi pada pembangkit listrik tenaga batu bara sebesar 42%.

Fluida pada Siklus Rankine mengikuti aliran tertutup dan digunakan secara konstan. Berbagai jenis fluida dapat digunakan pada siklus ini, namun air dipilih karena berbagai karakteristik fisika dan kimia, seperti tidak beracun, terdapat dalam jumlah besar, dan murah.

Terdapat 4 proses dalam siklus Rankine, setiap siklus mengubah keadaan fluida (tekanan dan/atau wujud).

1. Proses 1 : Fluida dipompa dari bertekanan rendah ke tekanan tinggi dalam bentuk cair. Proses ini membutuhkan sedikit input energi.
2. Proses 2 : Fluida cair bertekanan tinggi masuk ke boiler di mana fluida dipanaskan hingga menjadi uap pada tekanan konstan menjadi uap jenuh.
3. Proses 3 : Uap jenuh bergerak menuju turbin, menghasilkan energi listrik. Hal ini mengurangi temperatur dan tekanan uap, dan mungkin sedikit kondensasi juga terjadi.
4. Proses 4 : Uap basah memasuki kondenser di mana uap diembunkan dalam tekanan dan temperatur tetap hingga menjadi cairan jenuh.

Dalam siklus Rankine ideal, pompa dan turbin adalah isentropic, yang berarti pompa dan turbin tidak menghasilkan entropi dan memaksimalkan output kerja. Dalam siklus Rankine yang sebenarnya, kompresi oleh pompa dan ekspansi dalam turbin tidak isentropic. Dengan kata lain, proses ini tidak bolak-balik dan entropi meningkat selama proses. Hal ini meningkatkan tenaga yang dibutuhkan oleh pompa dan mengurangi energi yang dihasilkan oleh turbin. Secara khusus, efisiensi turbin akan dibatasi oleh terbentuknya titik-titik air selama ekspansi ke turbin akibat kondensasi. Titik-titik air ini menyerang turbin, menyebabkan erosi dan korosi, mengurangi usia turbin dan efisiensi turbin. Cara termudah dalam menangani hal ini adalah dengan memanaskannya pada temperatur yang sangat tinggi.

Efisiensi termodinamika bisa didapatkan dengan meningkatkan temperatur input dari siklus. Terdapat beberapa cara dalam meningkatkan efisiensi siklus Rankine.

Siklus Rankine dengan pemanasan ulang

Dalam siklus ini, dua turbin bekerja secara bergantian. Yang pertama menerima uap dari boiler pada tekanan tinggi. Setelah uap melalui turbin pertama, uap akan masuk ke boiler dan dipanaskan ulang sebelum memasuki turbin kedua, yang bertekanan lebih rendah. Manfaat yang bisa didapatkan diantaranya mencegah uap berkondensasi selama ekspansi yang bisa mengakibatkan kerusakan turbin, dan meningkatkan efisiensi turbin.

Siklus Rankine regeneratif

Konsepnya hampir sama seperti konsep pemanasan ulang. Yang membedakannya adalah uap yang telah melewati turbin kedua dan kondenser akan bercampur dengan sebagian uap yang belum melewati turbin kedua. Pencampuran terjadi dalam tekanan yang sama dan mengakibatkan pencampuran temperatur. Hal ini akan mengefisiensikan pemanasan primer.

Dari penjelasan diatas, 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 si piston bergerak kembali ke kiri, besarnya tekanan (P = F/A) yang dilakukan piston terhadap uap jauh lebih kecil daripada besarnya tekanan yang diberikan uap kepada piston ketika si piston bergerak ke kanan. Dengan kata lain, besarnya usaha alias kerja yang dilakukan piston terhadap uap jauh lebih kecil daripada besarnya kerja yang dilakukan uap terhadap piston (W = Fs). Jadi hanya sebagian kecil energi kinetik piston yang dikembalikan lagi pada uap. Dengan demikian akan ada energi kinetik total atau kerja total yang dihasilkan. Energi kinetik total ini yang dipakai untuk menggerakan sesuatu (membangkitkan listrik dkk…) Pembangkitan energi listrik akan dibahas secara mendalam pada pokok bahasan listrik dan magnet…

Penggunaan Mesin Uap

>> Kereta api Uap

Kereta api uap biasanya memiliki sebuah ketel uap pipa api horisontal bertungku yang terletak pada ujung bagian belakang. Di depan tungku terletak sebuah smokebox yang memiliki satu cerobong asap yang menonjol keluar (ke atas). Uap dikumpulkan dari tungku ke dalam sebuah kubah atau tabung berlubang-lubang yang berada di atas permukaan air.
Uap ini lalu melewati sebuah klep penutup atau katup pengatur ke dalam silinder sebuah resiprokat. Piston/torak di dalam mesin mendorong roda lewat sebuah crankpin dan batang/balok penghubung. Katup-katup mesin dikendalikan melalui sejumlah batang dan penghubung yang disebut dengan valve gear. Valve gear bisa disetel dan menolong kontrol arah serta cut off (cutoff adalah titik dalam kayuhan piston dimana inlet valve ditutup). Cut off ini menentukan proporsi kayuhan piston, yang kemudian mengendalikan jumlah uap yang masuk ke dalam silinder. Uap masuk dari kedua ujung, menyebabkan piston beraksi ganda.
Di dalam sebuah kereta api uap bersilinder dua, salah satu silinder ditempatkan di salah satu sisi kereta. Uap lalu memberikan empat kayuhan piston per putaran, yang berarti dua kayuhan per silinder. Kayuhan piston yang pertama menuju ke depan sedang yang kedua menuju ke belakang. Setiap kayuhan piston menggerakkan roda seperempat putaran.
Ketel dan silinder-silinder ini terletak di sebuah rangka, dan rangka ini terletak di sejumlah as atau poros. As dipasaing di blok-bantalan yang bergerak ke atas dan ke bawah di dalam rangka. Biasanya kereta uap Amerika memiliki kerangka balok sedangkan kereta uap Inggris memiliki plate frame (kerangka pelat), keduanya sama-sama terbuat dari baja. Sumber bahan bakar untuk mendidihkan air adalah batu bara. Kemudian minya mulai digunakan untuk tujuan yang sama.

Kelebihan Kereta Api Uap

Ada banyak alasan mengapa kereta api uap mencapai popularitas. Tentu saja alasan utamanya adalah kecepatan yang lebih baik daripada kereta berkuda. Perjalanan jadi lebih cepat serta orang-orang bisa melakukan perjalanan yang lebih jauh dengan jauh lebih mudah. Kereta uap dipandang pula lebih dapat diandalkan dan aman bila dibandingkan dengan perjalanan menggunakan kereta berkuda.Alasan yang berikut adalah kemudahan menggantikan gerbong yang rusak dengan yang baik. Kereta uap juga digunakan untuk mengangkut material dari satu tempat ke tempat yang lain, membuat aktivitas yang berhubungan dengan perdagangan dan perniagaan semakin efisien. Gerbong bisa ditambah atau diganti, tergantung pada persyaratan yang didasarkan pada jumlah orang dan material yang diangkut.