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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA PROYECTO DE SISTEMAS ENERGÉTICOS

Realizado por:

Larrea Sebastián Muñoz Brandon Naveda Darío

Tema: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA COCINA DE INDUCCIÓN Y OLLA ADIABÁTICAS NRC: 1653 Fecha: 30/05/2016

INTRODUCCIÓN Proceso adiabático Un proceso adiabático, no se transfiere calor hacia el interior ni hacia el exterior del sistema. Es decir, Q = 0. (El vocablo griego adiabatos significa "impasable".) Esta condición se satisface en un sistema térmicamente aislado, rodeado totalmente por un aislante "perfecto". Se trata de una situación ideal, ya que hay algo de transferencia de calor incluso con los mejores materiales, si esperamos el tiempo suficiente. Por tanto, en la vida real, sólo podemos aproximar los procesos adiabáticos. Por ejemplo, pueden efectuarse procesos casi adiabáticos si los cambios son lo bastante rápidos y no hay tiempo para que una cantidad significativa de calor entre en el sistema o salga de él

Fig1. Curva del proceso adiabático

Cocina de Inducción Una cocina de inducción es un tipo de cocina vitrocerámica que calienta directamente el recipiente mediante un campo electromagnético en vez de calentar mediante calor radiante por el uso de resistencias. Estas cocinas utilizan un campo magnético alternante que magnetiza el material ferromagnético del recipiente en un sentido y en otro. Este proceso tiene menos pérdidas de energía, el material se agita magnéticamente, la energía absorbida se desprende en forma de calor, calentando el recipiente. Los recipientes deben contener un material ferromagnética al menos en la base, por lo que los de aluminio, terracota, cerámica, vidrio o cobre no pueden utilizarse con este tipo de cocinas Olla adiabática Un dispositivo de cocción adiabática a elevada temperatura, que tiene una olla exterior y una olla interior suspendida de manera retirable en la olla exterior se propone para la mejora y más fácil cocción de productos alimenticios. La olla interior está hecha de

material metálico térmicamente conductor y está destinada a la cocción inicial del alimento con un calentador separado durante un corto período de tiempo. La olla exterior está hecha de una construcción térmicamente aislada y destinada a alojar la olla interior. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Al momento de cocinar alimentos uno de los grandes problemas es la perdida de calor mientras se cocina lo que trae consigo que los alimentos se demoren en cocinar además el uso de cocinas tradicionales eléctricas genera un mayor consumo de energía eléctrica lo que da como resultado un mayor costo al momento del pago de luz. Lo que proponemos es, mediante un diseño de una cocina de inducción y olla adiabática, reducir la perdida de calor al momento de cocinar los alimentos lo que traerá consigo una reducción de tiempo al momento de cocinar los mismos además de reducir los costos de consumo de energía eléctrica a través del diseño de la olla de inducción. OBJETIVO GENERAL Diseñar y construir una cocina de inducción y olla adiabáticas OBJETIVOS ESPECÍFICOS Comparar las pérdidas de calor y tiempo entre una olla normal y una olla adiabática Comparar el ahorro de energía de la cocina de inducción y la cocina eléctrica tradicional Comprobar el funcionamiento de ambos diseños aplicándolos en el uso domestico JUSTIFICACIÓN Nuestro proyecto de diseño y construcción de una cocina y olla adiabáticas es de gran importancia ya que existen grandes ventajas sobre el uso de cocinas de inducción, las mismas que reducen el riesgo de quemaduras, incendios, explosiones, intoxicación y asfixia; gracias a la utilización de la energía limpia. Todo lo contrario ocurre la utilización de cocinas a gas en las que su eficiencia es de apenas 40%, tiene riesgo de quemaduras, incendios, explosiones, intoxicación y asfixia, cocción lenta, utiliza energía fósil no renovable contaminante, razón por la cual es muy necesario sustituir el uso del gas por electricidad. La eficiencia energética que presentan estas cocinas son muy grandes, las cocinas de inducción aprovechan casi en su totalidad la energía que consumen en lo que te interesa cocinar. Su tecnología permite que no haya prácticamente fugas de calor y que este se concentre únicamente en las cacerolas y su contenido. Tanto es así que ni la placa se calienta a penas, por no decir el espacio alrededor, en el que no notarás un incremento de la temperatura. Frente a un 40% de eficiencia de las cocinas a gas y un 74% de las cocinas eléctricas tradicionales, la inducción te ofrece más de un 85% de aprovechamiento, su cocción es segura, rápida, utiliza energía renovable y amigable con el ambiente. La utilización de las cocinas de inducción genera beneficios ambientales, el impacto ambiental que genera el uso de una cocina de inducción es mínimo. En nuestro país si se utiliza el gas licuado, el escenario tendencial de emisiones acumuladas al 2030 será del 68,94 millones de toneladas de CO2 y con la utilización de las cocinas de inducción se

reducirá al 2030 a 27,24 millones de toneladas de CO2, por tanto, gana el ambiente, los ciudadanos y el país. En este proyecto de cocina y olla inducción, nuestro grupo al añadirle la complejidad de ser adiabáticos, podemos tener una idea de que estos aparatos pueden llegar a ser mucho más eficientes ya que no intercambiaría calor con el exterior, contrario a lo que ocurre con una cocina de inducción normal como las que ya se comercializan. METODOLOGÍA La cocina de inducción junto con su recipiente utiliza inducción electromagnética a través de magnetos, una vez que se encienden las bobinas de cobre dentro de la cocina crean un campo magnético que cambia constantemente de dirección. Cuando se pone una olla en la hornilla el campo eléctrico genera una corriente eléctrica y esta genera calor, esto sucede porque se excitan las moléculas del recipiente, pero el calor se genera solo en dicho recipiente, de este modo se pierde poca energía porque el calor se genera en el metal de la olla, para cocinar en estas estufas se necesitan ollas metálicas especiales. Una fuente de electricidad de alta frecuencia se utiliza para conducir una corriente alterna de grande a través de una bobina. Esta bobina se conoce como la bobina de trabajo. El paso de la corriente a través de esta bobina genera un campo magnético muy intenso y que cambia rápidamente en el espacio dentro de la bobina de trabajo. La pieza de trabajo a calentar se coloca dentro de este intenso campo magnético alterno. Dependiendo de la naturaleza del material de pieza de trabajo, un número de cosas suceden. El campo magnético alterno induce un flujo de corriente en la pieza de trabajo conductora. La disposición de la bobina de trabajo y la pieza de trabajo pueden ser pensadas como un transformador eléctrico. La bobina de trabajo es como la primaria donde la energía eléctrica se alimenta, y la pieza de trabajo es como una sola vuelta secundaria que se produce un cortocircuito. Esto causa grandes corrientes fluyan a través de la pieza de trabajo. Estos son conocidos como las corrientes de Foucault. Además de esto, la alta frecuencia se usa en aplicaciones de calentamiento por inducción da lugar a un efecto de piel fenómeno llamado. Este efecto de piel obliga a la corriente alterna a fluir en una capa delgada hacia la superficie de la pieza de trabajo. El efecto piel incrementa la resistencia efectiva del metal para el paso de la corriente grande. Por lo tanto, aumenta en gran medida el efecto de calentamiento causado por la corriente inducida en la pieza de trabajo. Principio físico del calentamiento por inducción El calentamiento por inducción es una aplicación muy directa de la conjunción de las leyes de la inducción (ley de Faraday y Ampere) y del efecto joule. Sí en un dispositivo apropiado llamado inductor, que normalmente es el arrollamiento bobinado de un conductor, se hace pasar una determinada corriente eléctrica, se genera un campo magnético cuya amplitud y distribución viene dada por la ley de Ampere.

  Ni   Hdl  Hl

Donde N es el número de espiras del inductor, i la corriente que lo atraviesa, H el campo magnético y l la longitud del circuito. Si la corriente inducida en el inductor es alterna se conseguirá crear un campo magnético variable en el tiempo que en la sección especificada generará un flujo magnético también alterno. Según la ley de Faraday en toda sustancia conductora que se encuentra en el interior de un campo magnético variable se genera una fuerza electromotriz cuyo valor es:

  N

dØ dt

Donde ε la Fem inducida, N el número de espiras del inductor y Ø el flujo del campo magnético. A las corrientes provocadas por esta fem en el interior de la sustancia conductora les llamaremos corrientes inducidas o corrientes de Foucault iF y son las responsables últimas del calentamiento por efecto Joule cuya ley es:

P  iF2 Req Donde P es la potencia disipada en la resistencia equivalente de la pieza a calentar Req por la que circula la corriente inducida iF.

Figura 2. Principio del calentamiento por inducción.

El proceso de transferencia de energía entre el inductor y el material a calentar es similar por su principio al de un transformador en el que el primario está constituido por el arrollamiento del inductor y la superficie de la pieza representa un secundario de una sola espira. La resistencia equivalente de la pieza es de valor muy pequeño por lo que para generar pérdidas apreciables por efecto Joule (i2R) son necesarias grandes corrientes inducidas. La disipación de calor por efecto Joule se realiza en el interior mismo de la sustancia donde han sido creadas las corrientes inducidas con lo que el calentamiento por inducción se convierte en un método de calentamiento de materiales conductores en el que no hay transferencia de calor desde una fuente externa de modo que no hay pérdidas de energía “electromagnética” que se convierte en energía “calorífica” directamente al material a calentar.

Figura 3. Circuito equivalente del inductor-carga.

Por lo tanto, en el calentamiento del material no hay piezas de la fuente de energía en contacto con la pieza a tratar térmicamente, ni gases de combustión, ni cualquier otro elemento que limite la posición o forma del material a calentar que puede estar en un entorno aislado de la fuente, sumergido en un líquido, cubierto por sustancias aislantes, en atmósferas gaseosas o incluso en el vacío. MATERIALES Y EQUIPO       

Aislante térmico Calorímetro Imanes Gaussimetro Termostato Materiales ferromagnéticos Conductores de voltaje

PRESUPUESTO Tabla 1 Presupuesto Material Olla Imán Fuente de voltaje Aislante térmico Conductores de voltaje Carcaza de la cocina Total

CRONOGRAMA

Cantidad

Precio ($) 2 2 1 1 1 1

30 15 30 10 10 10 105

Tabla 2 Cronograma de actividades

Bibliografía: - Inducción electromagnética y el efecto Joule. Recuperado el 28/05/2016 de http://www.uihm.com/es/Induction-Heating-Technology/Electromagneticinduction-and-The-Joule-effect172.html - Diseño y construcción de un prototipo de cocina electromagnética Recuperado el 28/05/2016 de http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/1113/1/CD-2596.pdf - Victor Vizuete (29/05/2016) La Inducción una forma de cocinar limpio y muy seguro. Recuperado de http://www.elcomercio.com/actualidad/induccion-forma-de-cocinarlimpio.html - Ventajas y desventajas de la cocina de inducción (23/04/2014). Recuperado el 28/05/2016 de http://www.tmc.com.py/v1/ventajas-y-desventajas-de-la-cocina-de-induccion/