DESAIN MATERIAL BEBAN DAN FREKUENSI RESONANSI KOMPOR INDUKSI UNTUK MENDAPATKAN EFISIENSI ENERGI Tri Rahayu Kuwat Lestari Imam 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 A1B1C1D1 yaitu 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 1 2 3 4
Faktor Kendali Frekuensi (KHz) Ketebalan bahan (mm) Jenis bahan Diameter beban (cm)
1 29 0,3 Seng 12
Level 2 30 0,4 St. Steel 19
3 31 0,5 Graphite 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 (34), dengan tabel di bawah ini: Tabel 2. Matriks orthogonal Array standar dengan 3 level (Sumber : Soejanto, 2009)
L9 (34)
Matrik Orthogonal array 3 level L27 L 81 (340) 13 (3 )
-
Orthogonal Array pengujiaan yang digunakan dalam eksperimen dapat ditunjukkan pada tabel 3. Table. 3. Orthogonal Array L9 ( 34 ) TRIAL 1 2 3 4 5 6 7 8 9
A 1 1 1 2 2 2 3 3 3
FAKTOR B C 1 1 2 2 3 3 1 2 2 3 3 1 1 3 2 1 3 2
D 1 2 3 3 1 2 2 3 1
Gambar 4. adalah diagram alir yang menjelaskan hubungan antara variabel yang satu dengan variabel lainnya dalam melakukan perancangan.
Frekuensi Proses
Ketebalan Bahan
Efisiensi Optimasi waktu pencapaian dengan metode Taguchi
Jenis Bahan
energi
Diameter Beban
Tegangan
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) ∆t
Faktor Trial A B C D
n1
n2
n3
∑X
X
1.
1
1
1
1
4,0 4,0 4.0 12,0 4,00
2.
1
2
2
2
4,1 4.0 4.0 12,2 4,07
3.
1
3
3
3
4.8 4.8 4.9 14,4 4,80
4.
2
1
2
3
4.2 4.2 4.3 12,4 4,13
5.
2
2
3
1
4.6 4.7 4.7 14,0 4,67
6.
2
3
1
2
4.5 4.4 4.4 13,2 4,40
7.
3
1
3
2
4.4 4.5 4.4 13,4 4,47
8.
3
2
1
3
4.5 4.5 4.4 13,4 4,47
9.
3
3
2
1
4.4 4.5 4.5 13,3 4,43
Data-data yang dihasilkan dari tahap pengukuran diolah dengan : 1. Uji Normalitas Data Tabel 5. Kolmogorov-Smirnov untuk Waktu Pencapaian Panas (menit) One-Sample Kolmogorov-Smirnov Test
N Mean Std. Deviation Absolute Most Extreme Positive Differences Negative Kolmogorov-Smirnov Z Asymp. Sig. (2-tailed) a. Test distribution is Normal. b. Calculated from data. Normal Parametersa,b
s12 s22 = 1,05/ 8 = 0,13
Waktu Pencapaia n Panas (menit) 27 4.3889 .25221 .184 .108 -.184 .553 .920 2. UjiHomogenitas Variansi =1,02/8=0,13
s32 = 1,13/ 8 = 0,14 s2 = ( ni – 1 ) si2 / ( ni – 1 ) = 0,13B = ( log s2 ) ( ni – 1 ) = - 0,88 2 = ( ln10 ) B - ( ni - 1) log si2 = 3,54 20..05;8 = 15,5 (tabel distribusi 2) Kesimpulan : karena 2hitung < 2tabel, ( 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
SSA = [ ∑ i=1
Ǻi 2 ] - CF = 0,13 nA
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. Sumber db SS MS F F Variasi hitung 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 18 0,11 0,006 (error) 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
Cara yang sama untuk SNR2 sampai SNR9, maka didapatkan tabel sebagai berikut : Tabel.7. Signal to Noise Ratio untuk table 4.
Faktor. EKS
Data Waktu
A
B
C D
n1
n2
n3
1
1
1
1
1
4,0
2
1
2
2
2
4,1
3
1
3
3
3
4,8
4
2
1
2
3
4,2
5
2
2
3
1
4,6
6
2
3
1
2
4,5
7
3
1
3
2
4,4
8
3
2
1
3
4,5
9
3
3
2
1
4,4
4, 0 4, 0 4, 8 4, 0 4, 7 4, 4 4, 5 4, 5 4, 5
4, 0 4, 0 4, 9 4, 3 4, 7 4, 3 4, 4 4, 4 4, 5
SNR -12,04 -12,11 -13,69 -12,40 -12,36 -12,87 -12,84 -13,00 -13,00
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 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
Grafik respon faktor yang optimal dari Signal to Noise Ratio dalam setiap level faktor yang berpengaruh signifikan ditunjukkan pada gambar 5. dibawah ini :
Waktu Pemanasan Air -12 -12.2 A1A2A3 B1B2B3 C1C2C3 D1D2D3 -12.41 -12.4 -12.46 -12.5 -12.47 -12.61 -12.6 -12.64 -12.8 -12.83 -12.88 -13 -12.98 -13.03 -13.2 -13.19 -13.33 -13.4
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(34), maka tidak perlu dilakukan uji konfirmasi. 5. Uji Beda Tabel 9. Perbandingan Kondisi Awal terhadap Kondisi Optimal Kondisi Awal
Kondisi Optimal
4,49
4
4,48
4
4,49
4
Rerata=4,49
Rerata=4,00
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
H0 ditolak apabila thitung > -ttabel 5. Jumlah eksperimen (n) = n1 = 3, n2 = 3 6. Menghitung jumlah kuadrat Sampel 1.
1 xi1 x1 n1 1
S1 2
2
= 0,50 7. Menghitung jumlah kuadrat Sampel 2.
S2 2
1 xi 2 x1 n2 1
2
=0 8. Menghitung jumlah kuadrat gabungan Sampel 1 dan 2.
S
(n1 1) s12 (n2 1) s22 n1 n2 2
2
= 0,25 9. Menghitung jumlah total (t hitung )
t0
x1 x2 1 1 s n1 n2
= 1,96 10. Membandingkan nilai thitung dengan ttabel thitung = 1,96, ttabel = 2,920 11. Kesimpulan Karena thitung > -ttabel (1,96 > -2,920) Ho ditolak artinya ada peningkatan kualitas efisiensi energi.
Penerimaan Ho α/2 = STB
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. 2.
3.
Tabel 6, semua faktor berpengaruh terhadap respon waktu pencapaian panas. 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. 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.
