DESAIN MATERIAL BEBAN DAN FREKUENSI RESONANSI
KOMPOR INDUKSI UNTUK MENDAPATKAN EFISIENSI
ENERGI
Tri Rahayu Kuwat LestariImam Djati Widodo, Ali Parkhan,
Abstract
The use of induction cookers are often constrained to issue a very large power consumption. By changing the frequency of the induction cooker and see the effect of the propagation of heat energy from the size the heat will affect the achievement of the time. The study, done is varying the frequency and load material to obtain energy efficiency to heat up as much as one liter of hot water until it reaches 90°C. The study design using the Taguchi method with reference to the matrix Orthogonal Array with 3 levels and 4 factors of control, ie frequency, material thickness, material type and the diameter of the load by factor, namely response to the response time.
The test results showed that all factors influencing the respon factor control and optimal conditions achieved at A1B1C1D1 parameter setting in frequency 29 kHz, 0.33 mm material thickness, type of material zinc, the burden of 12 cm diameter, and the achievement of efficiencies by 21.72%.
Keywords: induction cooker, energy efficiency, heat attainment time, Taguchi.
Abstrak
Penggunaan kompor induksi sering terkendala pada masalah konsumsi dayanya yang besar. Dengan merubah frekuensi pada kompor induksi serta melihat pengaruh perambatan energi panas dari ukuran beban, akan mempengaruhi waktu pencapaian panas.
Penelitian yang dilakukan yaitu memvariasikan frekuensi dan material beban untuk mendapatkan efisiensi energi dengan memanaskan air sebanyak 1 (satu) liter hingga mencapai suhu 90°C.. Rancangan penelitian dengan menggunakan metode Taguchi yang mengacu pada matriks Orthogonal Array dengan menggunakan 3 level dan 4 faktor kendali yaitu frekuensi, ketebalan bahan, jenis bahan dan diameter beban dengan faktor respon yaitu respon waktu pencapaian panas.
Hasil pengujian menunjukkan bahwa semua faktor kendali mempengaruhi faktor respon dan kondisi optimal dicapai pada seting parameter A1B1C1D1yaitu pada Frekuensi 29 KHz, Ketebalan Bahan 0,33mm, Jenis Bahan Seng, Diameter Beban 12cm dengan efisiensi sebesar 21,72%.
Kata kunci : kompor induksi, efisiensi energi, waktu pencapaian panas, Taguchi.
I. PENDAHULUAN
Perkembangan teknologi saat ini sangat pesat khususnya pada bidang elektronika. Hampir semua peralatan menggunakan komponen elektronika, bahkan peralatan rumah tangga pun banyak sekali yang menggunakan sistem elektronika seperti alat untuk masak atau kompor. Namun dengan banyaknya peralatan elektronik yang digunakan, akan semakin besar pula penggunaan energi listrik. Alasan untuk menghemat biaya, peralatan rumah tangga banyak sekali yang diciptakan. Untuk itu perlu adanya inovasi yang hemat energi, hemat biaya, praktis, mudah digunakan dan memiliki tingkat keamanan yang tinggi. Kompor induksi dapat dijadikan alternatif untuk mengatasi masalah-masalah tersebut (Firda, 2008).
Penggunaan kompor induksi sering terkendala pada masalah konsumsi dayanya yang besar. Dari beberapa penelitian tentang pemanas dengan induksi, disebutkan bagaimana efisiensi energi dari alat tersebut dapat lebih ditingkatkan. Perbaikan efisiensi energi pemanas induksi dengan melihat pengaruh
perambatan energi panas dari sisi ukuran dan posisi suspector. Suspector yang diuji terbuat dari bahan
stainless steel dan graphite (Park, dkk, 2009). Menurut Zhulkarnaen (2000), dengan merubah frekuensi pada kompor induksi, akan mempengaruhi waktu pencapaian panas, besarnya daya, besarnya energi elektrik, dan besarnya efisiensi energi.
Dengan merubah ketebalan, jenis dan diameter dari bahan, diharapkan pula dapat berpengaruh terhadap waktu pencapaian panas. Proses optimasi pada penelitian ini digunakan Desain Eksperimen dengan Metode Taguchi.
III. METODE PENELITIAN
Pemilihan karakteristik kualitas produk yang akan diteliti meliputi: 1. Variabel Terikat
2. Variabel Bebas
Dari variabel terikat dan variable bebas yang terdiri dari 4 faktor dengan 3 level, dapat dilihat pada tabel berikut :
Tabel 1 Level dan Faktor Kendali
No Faktor Kendali Level
1 2 3
1 Frekuensi (KHz) 29 30 31
2 Ketebalan bahan (mm) 0,3 0,4 0,5
3 Jenis bahan Seng St. Steel Graphite
4 Diameter beban (cm) 12 19 26
Pada penelitian ini variabel bebas terdiri dari 4 faktor (A, B, C, D) dengan 3 level (1, 2 dan 3). Metode yang digunakan eksperimen Taguchi, maka orthogonal Array yang dipilih adalah L9 (3
4
), dengan tabel di bawah ini:
Tabel 2. Matriks orthogonal Array standar dengan 3 level (Sumber : Soejanto, 2009)
Orthogonal Array pengujiaan yang digunakan dalam eksperimen dapat ditunjukkan pada tabel 3.
Table. 3. Orthogonal Array L9 ( 3 4 ) TRIAL FAKTOR A B C D 1 1 1 1 1 2 1 2 2 2 3 1 3 3 3 4 2 1 2 3 5 2 2 3 1 6 2 3 1 2 7 3 1 3 2 8 3 2 1 3 9 3 3 2 1
Matrik Orthogonal array 3 level L9
(34)
L27 (313)
Gambar 4. adalah diagram alir yang menjelaskan hubungan antara variabel yang satu dengan variabel lainnya dalam melakukan perancangan.
Gambar 4. Diagram Alir Hubungan Antar Variabel
HASIL PENELITIAN
Dari langkah-langkah pengambilan data, didapatkan data pengukuran untuk waktu pencapaian panas seperti tabel dibawah ini :
Tabel 4. Data Waktu Pencapaian Panas (menit)
Data-data yang dihasilkan dari tahap pengukuran diolah dengan : 1. Uji Normalitas Data
Tabel 5. Kolmogorov-Smirnov untuk Waktu Pencapaian Panas (menit) Trial Faktor ∆t ∑X
X
A B C D n1 n2 n3 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 1 1 1 2 2 2 3 3 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 2 3 1 3 1 2 1 2 3 3 1 2 2 3 1 4,0 4,1 4.8 4.2 4.6 4.5 4.4 4.5 4.4 4,0 4.0 4.8 4.2 4.7 4.4 4.5 4.5 4.5 4.0 4.0 4.9 4.3 4.7 4.4 4.4 4.4 4.5 12,0 12,2 14,4 12,4 14,0 13,2 13,4 13,4 13,3 4,00 4,07 4,80 4,13 4,67 4,40 4,47 4,47 4,43One-Sample Kolmogorov-Smirnov Test
Frekuensi Ketebalan Bahan Jenis Bahan Diameter Beban Proses Optimasi waktu pencapaian dengan metode Taguchi Efisiensi energi Tegangan
2. UjiHomogenitas Variansi s1 2 =1,02/8=0,13 s2 2 = 1,05/ 8 = 0,13 s3 2 = 1,13/ 8 = 0,14 s2 = ( ni – 1 ) si2 / ( ni – 1 ) = 0,13- B = ( log s2 ) ( ni – 1 ) = - 0,88 2 = ( ln10 ) B - ( ni - 1) log si 2 = 3,54 2 0..05;8 = 15,5 (tabel distribusi 2 ) Kesimpulan : karena 2hitung<
2
tabel, ( 3,54 < 15,5) maka Ho diterima, artinya data waktu pencapaian
panas homogen.
3. Analysis Variansi (ANOVA)
Untuk mengetahui faktor utama yang berpengaruh secara signifikan maka digunakan Analisis Variansi (ANOVA). Perhitungan A1 = 12,0 + 12,1 +14,4 = 38,50 = 118,40 CF = = 519,2 = 1,95 k Waktu Pencapaia n Panas (menit) N 27 Normal Parametersa,b Mean 4.3889 Std. Deviation .25221 Most Extreme Differences Absolute .184 Positive .108 Negative -.184 Kolmogorov-Smirnov Z .553
Asymp. Sig. (2-tailed) .920
a. Test distribution is Normal. b. Calculated from data.
SSA = [ ∑ Ǻi 2 ] - CF = 0,13 i=1 n A SSe = SST - SSA - SSB - SSC - SSD = 0,11 MSA = = 0,07 MSB = = 0,30 MSC = = 0,46 MSD = = 0,09 MSe = = 0,006 F hitung faktor A = = 11,31 F hitung faktor B = = 51,06 F hitung faktor C = = 78,25 F hitung faktor D = = 15,25
Dari perhitungan diatas, kemudian disusun kedalam tabel, maka didapatkan : Tabel.6 ANOVA untuk perhitungan tabel 4.
Berdasarkan hasil perhitungan yang tercantum pada tabel. 8. ternyata semua faktor mempengaruhi variabel waktu pencapaian panas, karena Fhitung semua faktor > Ftabel.
4. Signal to Noise Ratio Perhitungan SNR1 = - 10 log 1/3 [ ( 4,0 )2 + ( 4,0 ) 2 + ( 4,0 )2 ] = - 12,04 Sumber Variasi db SS MS F hitung F tabel Faktor A 2 0,13 0,07 11,31 3,55 B 2 0,61 0,30 51,06 3,55 C 2 0,93 0,46 78,25 3,55 D 2 0,18 0,09 15,25 3,55 Kekeliruan (error) 18 0,11 0,006 - -
Cara yang sama untuk SNR2 sampai SNR9, maka didapatkan tabel sebagai berikut : Tabel.7. Signal to Noise Ratio untuk table 4.
Perhitungan efek tiap factor :
Faktor A1 = [(-12,04) + (-12,11) + (-13,69)] / 3 = - 12,61
Dengan cara yang sama, hasil perhitungan efek tiap factor ditunjukkan pada table berikut: Tabel. 8. Nilai optimal tiap faktor
EKS
Faktor. Data Waktu
SNR A B C D n1 n2 n3 1 1 1 1 1 4,0 4, 0 4, 0 -12,04 2 1 2 2 2 4,1 4, 0 4, 0 -12,11 3 1 3 3 3 4,8 4, 8 4, 9 -13,69 4 2 1 2 3 4,2 4, 0 4, 3 -12,40 5 2 2 3 1 4,6 4, 7 4, 7 -12,36 6 2 3 1 2 4,5 4, 4 4, 3 -12,87 7 3 1 3 2 4,4 4, 5 4, 4 -12,84 8 3 2 1 3 4,5 4, 5 4, 4 -13,00 9 3 3 2 1 4,4 4, 5 4, 5 -13,00 Level Faktor A. B. C. D. 1. - 12,61 - 12,46 - 12,41 - 12,47 2 - 12,88 - 12,83 - 12,50 - 12,64 3 - 12,98 - 13,19 - 13,33 - 13,03 Selisih 0,37 0,73 0,92 0,56 Ranking 4 2 1 3
-12.61 -12.88 -12.98 -12.46 -12.83 -13.19 -12.41 -12.5 -13.33 -12.47 -12.64 -13.03 -13.4 -13.2 -13 -12.8 -12.6 -12.4 -12.2 -12 A1A2A3 B1B2B3 C1C2C3 D1D2D3
Waktu Pemanasan Air
Grafik respon faktor yang optimal dari Signal to Noise Ratio dalam setiap level faktor yang berpengaruh signifikan ditunjukkan pada gambar 5. dibawah ini :
Gambar 5. Grafik Respon Kesimpulan :
a. Dari Gambar 5. kombinasi level faktor optimal untuk waktu pencapaian panas adalah A1 B1 C1 D1. Artinya untuk meminimalkan nilai waktu pemanasan air dibutuhkaan kombinasi level faktor Frekuensi 29 KHz, Ketebalan bahan 0,3mm, Jenis Bahan Seng dan Diameter Beban 12 cm.
b. Kombinasi level faktor optimal yaitu A1B1C1D1, sudah masuk dalam matriks array orthogonal L9(3
4
), maka tidak perlu dilakukan uji konfirmasi. 5. Uji Beda
Tabel 9. Perbandingan Kondisi Awal terhadap Kondisi Optimal
1. Hipotesis
H0 : Tidak ada peningkatan kualitas efisiensi energi dari kondisi awal
H1 : Ada peningkatan kualitas efisiensi energi dari kondisi awal
2. Hipotesis statistiknya. Ho = µ1 ≤ µ2
H1 = µ1 > µ2
3. Tingkat signifikansi : α = 5 % , α = 0,05 ttabel = t (1-α) (n-1) = t(0.95)(2) = 2,920
4. Ketentuan pengujian thitung, yaitu :
H0 diterima apabila thitung ≤ -ttabel
Kondisi Awal Kondisi Optimal
4,49 4
4,48 4
4,49 4
α/2 = STB
Penerimaan
Ho
H0 ditolak apabila thitung > -ttabel
5. Jumlah eksperimen (n) = n1 = 3, n2 = 3
6. Menghitung jumlah kuadrat Sampel 1.
2 1 1 1 2 1 1 1 x x n S i = 0,50 7. Menghitung jumlah kuadrat Sampel 2.
2 1 2 2 2 2 1 1 x x n S i = 08. Menghitung jumlah kuadrat gabungan Sampel 1 dan 2.
2 ) 1 ( ) 1 ( 2 1 2 2 2 2 1 1 2 n n s n s n S = 0,25 9. Menghitung jumlah total (t hitung )
1 2 2 1 0
1
1
n
n
s
x
x
t
= 1,9610. Membandingkan nilai thitung dengan ttabel
thitung = 1,96, ttabel = 2,920
11. Kesimpulan
Karena thitung > -ttabel (1,96 > -2,920) Ho ditolakartinya ada peningkatan kualitas efisiensi energi.
Gambar 7. Kurva Distribusi Daerah STB 6. Perhitungan Efisiensi Energi
Perhitungan energi input, energi output dan efisiensi energi dengan menggunakan persamaan sbb: Efisiensi energi η % = ( Qout / Qin ) x 100 % ={(mairxcairx∆t)/(VxIpFx∆t)}x100% Energi input Qin = V . I . pF . ∆t =220x5,13x0,99x240=268,16Kjoule Energi output
Δt (C), air yang dipanaskan hingga 90°C yaitu sebanyak 1 liter air (1 liter air 1 kg) sehingga massa jenis air sebesar 1 kg, dengan suhu awal air (t1) sebesar 30C. dapat dicari kalor jenis air pada suhu
90C (t2) sebagai berikut:
C=0,09983–0,005184(60/100)+0,006912(60/100)² = 0,9923 kal x 4,186 joule 1 kal = 4,186 joule = 4,153 joule
Dimana :mair = 1 liter 1000 gram
Δt = t2 – t1 = 90C - 30C = 60C
Besarnya energi keluaran:
Qout = 1000 x 4,153 x 60 = 249,18 kJoule
Dari perhitungan Qin dan Qout maka efisiensi energi yang didapatkan : η (%) = 21,72 %
Simpulan.
1. Tabel 6, semua faktor berpengaruh terhadap respon waktu pencapaian panas.
2. Gambar 5, kombinasi level faktor optimal adalah seting parameter pengujian ke 1 (A1B1C1D1). Yaitu pada Frekuensi 29 KHz, Ketebalan Bahan 0,3mm, Jenis Bahan Seng dan Diameter Beban 12 cm.
3. Hasil penelitian, didapatkan efisiensi energi. sebesar 21,72 %.
Saran.
1. Penelitian perlu dikembangkan dengan menggunakan variabel yang lain. 2. Perlu ditambahkan variabel respon.
DAFTAR PUSTAKA
Achmad Ridho’I, 2008, “Induksi Panas Dari Frekuensi Tinggi Pengganti Pemanas”, Jurnal Sains Dan Teknologi, Volume 6, Nomer 2, Universitas 17 Agustus 1945, Surabaya.
Nathan Rhoades, 2006, “A Fundamental Overview of Heating by Induction”.
Peace S. Glen, 1993, Taguchi Methods : A Hands on Approach, Addison-Wesley, Longman, Incorporated Philip,J Ross, (1999),Taguchi Techniques for Quality Engineering,New York,Mc Graw-Hill Book Co. Slamet Pambudi, 2012, “Pengaruh Variasi Beban Pada Pemanas Induksi Untuk Mendapatkan
Penghematan Optimum”, eJournalPolitama, hal. 43-57.
Soejanto,I.,2009,Desain Eksperimen Dengan Metode Taguchi,Graha Ilmu,Yogyakarta.
Valery Rudnev, Don Loveless, Raymond Cook, Micah Black, 2003, “Handbook of Induction Heating”, University of Toledo, Toledo, Ohio.
Yukovany Zhulkarnaen, 2000, “Perancangan dan Pembuatan Pemanas Induksi Dengan Metode Pancake Coil Berbasis Mikrokontroller AtMega 8535”, Universitas Brawijaya.
