PRINSIP KERJA MESIN UAP

PRINSIP KERJA MESIN 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. Nah, 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.
Btw, apabila dirimu perhatikan 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. Nah, 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. 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 = 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). Pahami perlahan-lahan ya…
Dari penjelasan panjang lebar dan bertele-tele 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 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.

cara kerja mesin uap

BAGAIMANA CARA KERJA MESIN UAP?

Berbicara tentang mesin uap sekarang ini nampaknya sudah tidak relevan lagi karena hal itu sudah tinggal kenangan saja. Sejarah mesin uap yang mulai berkembang sejak awal abad 17 dan mencapai jaman kemasannya pada pada medio pertama abad 19, dimana pada saat itu prime mover untuk industri maupun transportasi (kapal laut dan kereta api) menggandalkan mesin uap. Era mesin uap telah berlalu, tapi turbin uap masih banyak dipakai karena hampir 80% pembangkit tenaga listrik didunia ini menggunakan turbin uap. Jadi masih ada sedikit kaitannya untuk mengetahui mesin uap. (Referensi : http://en.wikipedia.org/)

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.

Contoh dari pesawat kalor jenis ECE adalah mesin uap dan turbin uap. Pada peralatan ini, mesin uap hanya merubah tenaga potensial dari uap menjadi tenaga mekanis berupa gerakan kian kemari dari piston dan selanjutnya diubah menjadi gerakan putaran dari crank shaft; sedangkan turbine uap merubah tenaga potensial dari uap menjadi tenaga mekanis yang langsung merupakan gerakan putaran dari as turbin. Adapun proses pembakaran bahan bakar dilakukan diluar mesin uap dan turbin uap, yaitu didalam ketel uap (boiler). Didalam ketel uap (boiler) tenaga termis hasil pembakaran bahan bakar digunakan untuk memanaskan air sehingga berubah menjadi uap dengan temperatur dan tekanan tinggi, untuk selanjutnya uap dengan temperatur dan tekanan tinggi tersebut dialirkan ke-mesin uap atau turbin uap untuk diubah menjadi tenaga mekanis.

Adapun cara kerja mesin uap adalah sebagai berikut :
Lihat gambar dibawah ini,

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).