Mesin uap

General arrangement of a superheater installation in a steam locomotive.

Contoh mesin uap adalah lokomotif kereta api. Kendaraan ini merupakan kesatuan kompak yang terdiri dari boiler steam, ruang bahan bakar, dan mesin uap penggerak beserta roda yang telah terintegrasi. Kecepatan maksimum lokomotif besar Union Pacific Big Boy ini adalah sekitar 80 mph (130 km/h) dan power output 6.290 hp (4.690 kW / 4,7 MW)

Lokomotif fireless (tanpa nyala api), jenis lokomotif dengan mesin uap yang menggunakan tenaga kompresi 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.

Sejarah

Mesin Uap, pertama kali dibuat oleh Hero dari Alexandria, yaitu sebuah prototipe turbin uap primitif yang bekerja menggunakan prisip reaksi. di mana turbin ini terdiri dari sumber kalor, bejana yang diisi dengan air dan pipa tegak yang menyangga bola di mana pada bola terdapat dua nosel uap. Proses kerjanya adalah sebagai berikut, sumber kalor akan memanasi air di dalam bejana sampai air menguap, lalu uap tersebut mengalir melewati pipa tegak masuk ke bola. Uap tersebut terkumpul di dalam bola, kemudian melalui nosel menyembur ke luar, karena semburan tersebut, bola mejadi berputar.

Selanjutnya setelah penemuan Hero, beberapa abad kemudian dikembangkan turbin uap oleh beberapa orang yang berusaha memanfaatkan uap sebagai sumber energi untuk peralatan mereka. Thomas Savery (1650-1715) adalah orang Inggris yang membuat mesin uap bolak-balik pertama, mesin ini tidak populer karena mesin sering meledak dan sangat boros uap. Untuk memperbaiki kinerja dari mesin Savery, Denis Papin (1647-1712) membuat katup-katup pengaman dan mengemukakan gagasan untuk memisahkan uap air dan air dengan menggunakan torak.

Gagasan Papin direspons oleh Thomas Newcomen (1663-1729) yang merancang dan membangun mesin menggunakan torak. Prinsip kerja yaitu uap tekanan rendah dimasukan ke silinder dan menekan torak sehingga bergerak ke atas. Selanjutnya, silinder disemprot air sehingga terjadi kondensasi uap, tekanan menjadi turun dan vakum. Karena tekanan atmosfer dari luar torak turun maka terjadi langkah kerja.

Perkembangan mesin uap selanjutnya adalah mesin uap yang dikembangkan oleh James Watt. Selama kurang lebih 20 tahun ia mengembangkan dan memperbaiki kinerja dari mesin Newcomen. Gagasan James Watt yang paling penting adalah mengkonversi gerak bolak-balik menjadi gerakan putar (1781). Mesin tersebut kemudian dikembangkan lebih lanjut oleh Corliss (1817-1888), yaitu dengan mengembangkan katup masuk yang menutup cepat, untuk mencegah pencekikan katup pada waktu menutup. Mesin Corliss menghemat penggunaan bahan bakar batu bara separo dari batu bara yang digunakan mesin uap James Watt.

Kemudian Stumpf (1863) mengembangkan mesin uniflow yang dirancang untuk mengurangi susut kondensasi. Mesin uap yang dibuat paling besar pada abad 18 adalah menghasikan daya 5 MW, pada waktu itu dianggap raksasa, karena tidak ada lagi mesin yang lebih besar. Seiring dengan kebutuhan tenaga listrik yang besar, kemudian banyak pengembangan untuk membuat mesin yang lebih efisien yang berdaya besar.

Mesin uap bolak-balik memiliki banyak keterbatasan, antara lain mekanismenya terlalu rumit karena banyak penggunaan katup-katup dan juga mekanisme pengubah gerak bolak-balik menjadi putaran. Maka untuk memenuhi tuntutan kepraktisan mesin uap dengan efisiensi berdaya lebih besar, dikembangkan mesin uap rotari. Mesin uap rotari komponen utamanya berupa poros yang bergerak memutar. Model konversi energi potensial uap tidak menggunakan torak lagi, tetapi menggunakan sudu-sudu turbin.

Gustav de Laval (1845-1913) dari Swedia dan Charles Parson (1854-1930) dari Inggris adalah dua penemu awal dari dasar turbin uap modern. De laval pada mulanya mengembangkan turbin rekasi kecil berkecepatan tinggi, namun menganggapnya tidak praktis dan kemudian mengembangkan turbin impuls satu tahap yang andal, dan namanya digunakan untuk nama turbin jenis impuls. Berbeda dengan De laval, Parson mengembang turbin rekasi tingkat banyak, turbinnya dipakai pertama kali pada kapal laut.

Disamping para penemu di atas, penemu-penemu lainnya saling melengkapi dan memperbaiki kinerja dari turbin uap. Rateau dari Prancis mengembangkan turbin impuls tingkat banyak, dan C.G. Curtis dari Amerika Serikat mengembangkan tubin impuls gabungan kecepatan. Selanjutnya, penggunaan turbin uap meluas dan praktis menggantikan mesin uap bolak-balik, dengan banyak keuntungan. Penggunaan uap panas lanjut yang meningkatkan efisiensi sehingga turbin uap berdaya besar (1000 MW, 3600 rpm, 60 Hz) banyak dibangun.