Analysis
of the use of a heater to electromagnetic induction to provide hot water fo=
r single-family
homes.<=
span
style=3D'mso-bookmark:_Hlk532226866'>
Frankli=
n M.
Silva M.
DOI: =
https://doi.or=
g/10.33262/cienciadigital.v2i1.13
/index.p=
hp/CienciaDigital/article/view/13/13
The object of this research project is to design a=
nd
implement an induction electromagnetic heater prototype for single family
homes, with the main objective to conduct a research study to determine if
electromagnetic induction is the best way to provide hot water for using in
this type of household. The project uses an existing system (induction
cooking), in which a water passage system constructed of stainless steel is
adapted, it is heated by induction and transmits heat to the water that is
circulated by it. With this system it is to analyze the efficiency of induc=
tion
heating systems over conventional electrical systems, different tests where
both the prototype and a conventional electrical system are used to perform=
. To
determine the efficiency of different systems a measuring was applied to the
electrical energy used in the heating system and the amount of energy which=
is
transmitted to the water, it must determine the volume of water used and the
temperature gradient achieved. Moreover, as the efficiency of each of the
systems can determine if induction heating is the best alternative to provi=
de
hot water to the houses.
Keywords: Electromagne=
tic
Induction, Heating, Efficiency.
Resumen.
El presente proyecto =
de
investigación tiene el propósito de diseñar e implementar un calefón protot=
ipo
de inducción electromagnética para viviendas unifamiliares, con el principal
objetivo de realizar un estudio investigativo que determine sí la inducción
electromagnética es la manera más adecuada de proveer agua caliente para el=
uso
en éste tipo de hogares. El proyecto utiliza un
sistema existente (cocina a inducción), en la cual se adapta un sistema de =
paso
de agua construido con acero inoxidable, éste se calienta debido a la induc=
ción
y transmite el calor al agua que por él se encuentra en circulación. Con es=
te
sistema se pretende analizar la eficiencia de los sistemas de calentamiento=
a
inducción frente a los sistemas eléctricos convencionales, se realizan
diferentes pruebas donde se utiliza tanto el prototipo como un sistema
eléctrico convencional. Para determinar la eficiencia de los diferentes
sistemas se procede a medir la energía eléctrica utilizada en el sistema de
calentamiento y la cantidad de energía que es trasmitida al agua, para ello=
se
debe conocer el volumen de agua utilizada y el gradiente de temperatura
alcanzada. Una vez conocida la eficiencia de cada uno de los sistemas se pu=
ede
determinar sí el calentamiento por inducción es la mejor alternativa para
proveer de agua caliente a las viviendas unifamiliares.
Palabras
Claves:
Inducc=
ión
Electromagnética, Calefón, Eficiencia.
Introducción.
En el Ecuador se vive
actualmente un proceso de cambios en sectores estratégicos para el buen viv=
ir,
y dentro de ellos se encuentra el de la Matriz Energética, que busca genera=
r la
energía necesaria para cubrir todo el país con energía verde propia generad=
a en
nuestro mismo país; cambio que involucra temas de investigación dentro de l=
as
aplicaciones que se pueden diseñar en base a una energía verde como la
inducción electromagnética.
Hoy en día la energía
está presente en todas las actividades cotidianas del ser humano, por lo que
nace la necesidad de mejorar la eficiencia del consumo de energía en los
electrodomésticos más usados, como por ejemplo el de un calefón. En la mayo=
ría
de hogares el servicio de agua caliente proviene de calefones a gas y en ot=
ros
casos son eléctricos, en vista de aquello, se propone encontrar nuevas
alternativas que reemplacen el consumo de gas licuado del petróleo GLP, con=
la
implementación de un calefón prototipo a inducción electromagnética.
Para el diseñó del
calefón a inducción se basa en el siguiente fundamento:
Ley
de Faraday.
Faraday comprobaron
experimentalmente que los campos magnéticos variables en el tiempo generaba=
n o
inducían una fuerza electromotriz (f.e.m) en
circuitos eléctricos, lo cual está dado por la ecuación1
|
|
( =
1<=
!--[if supportFields]><=
span
style=3D'mso-bookmark:_Hlk532226866'>) |
Dónde:
Transferencia
de calor por convección.
La transferencia de
energía entre una superficie sólida, líquida o gaseosa a una temperatura
cualquiera, hace que la energía producida sea el resultado de transferencia=
de
calor del área a la sustancia, se lo deduce mediante la ecuación 2.
|
|
(2=
) |
Dónde:
Inducción
magnética.
La inducción magnétic=
a se
define como la cantidad de líneas de fuerza que atraviesa perpendicularment=
e la
unidad de superficie como se observa en la figura 1. En cierta forma, indic=
a el
número de líneas de fuerza, o lo concentradas que están, en una parte del c=
ampo
magnético.
Figura 1:
inducción magnética sobre una superficie.=
Elaborado por:=
Grupo de Investigaci=
ón.
Diseño
e implementación.
La inducción es gener=
ada
por una cocina a inducción comercial (Figura 2), cuya potencia es de 2.5 kW,
con una eficiencia energética de (≥85%), en donde se coloca el sistem=
a de
calentamiento por inducción por el cual circula el agua proveniente de un
tanque de almacenamiento con capacidad de 15 litros (Figura3).
Figura 2: Sistema de inducción (cocina comercial)
Elaborado por:=
Grupo de Investigaci=
ón
El sistema de
calentamiento por inducción es elaborado con acero inoxidable AISI 430, tipo
cilindro de dos partes una con un diámetro 21 cm y otra con un diámetro de =
17
cm, las dos con alturas de 15 mm y el grosor del material en la base de 0,6=
mm
y en las paredes como en la parte superior un grosor de 0,4 mm.
Su estructura interna es separada cada 3 cm por pequeñas láminas del mismo
material con un grosor de 0,4 mm, que adquiere la forma de un serpentín tipo
condensador figura 3.
Figura 3:<=
/span> El sistema de
calentamiento por inducción.
Elaborado por:=
Grupo de Investigaci=
ón
Para las conexiones
eléctricas del calefón prototipo se utiliza cable gemelo flexible número AWG
2x12, que soporta una corriente de 25 A, perteneciente a la gama baja de
tensión (hasta 1000 V) dado que el sistema requiere un voltaje nominal de 2=
20
V. Todo lo mencionado anteriormente contempla a la implementación del proce=
so
para la ejecución de las pruebas del calefón prototipo a inducción como se =
puede
observar en la figura 4.
Figura 4:<=
/span> Implementación del
proceso para la ejecución de las pruebas del calefón prototipo a inducción.=
Elaborado por:=
Grupo de Investigaci=
ón.
En la figura 4 se pue=
de
apreciar el calentador eléctrico, el cual es apagado durante las pruebas
realizadas con el calentador de agua por inducción.
Para la realización de
las pruebas se elabora una tabla con las combinaciones de potencia que tien=
e la
cocina y luego utilizando un calentador eléctrico. Mientras el agua circula=
por
el sistema de calentamiento por inducción se registran los datos en el
Registrador y Analizador de Calidad de la Energía Eléctrica Trifásico –Fluke 1735, de potencias, voltaje, corriente y temper=
atura
inicial y final de cada prueba, posteriormente se analizan cada uno de ellos
para determinar la mejor eficiencia del sistema.
Resultados.
Para recabar informac=
ión
sobre la eficiencia y consumo de energía del calefón se utiliza la
termodinámica de fluidos para calcular la energía consumida, almacenada por=
el
agua y transferida de la inducción al agua, para lo cual se tiene lo siguie=
nte:
Cantidad de energía
almacenada en el agua
Eficiencias energétic=
as
de cada prueba.
=
• =
=
• =
Se diseñaron siete ti=
pos
de pruebas, las seis primeras con el sistema de calentamiento de agua por
inducción y la séptima con un calentador eléctrico para realizar el contras=
te,
para todas las pruebas se utilizó un volumen de 10 litros de agua.
Además, se analiza el
efecto de cubrir el sistema por inducción con lana de vidrio, para lo cual =
las
pruebas 1, 2 y 3 no cuentan con recubrimiento, mientras que las pruebas 4,5=
y 6
si cuentan con el recubrimiento.
Los datos obtenidos s=
e presentan
en la tabla 1
Tabla 1: Consumo de energía=
y
eficiencia
|
|
CAN=
TIDAD
DE ENERGÍA EN EL AGUA (J) |
ENE=
RGÍA
ELÉCTRICA CONSUMIDA (J) |
EFI=
CIENCIA
(%) |
TIE=
MPO
(min) |
REC=
UBRIMIENTO
DE LANA DE VIDRIO |
|
PRU=
EBA
1 |
669=
440 |
920=
000 |
72,=
77 |
6.1=
3 |
NO<= o:p> |
|
PRU=
EBA
2 |
460=
240 |
710=
400 |
64,=
79 |
6.4=
1 |
NO<= o:p> |
|
PRU=
EBA
3 |
251=
040 |
573=
300 |
43,=
79 |
6.5=
1 |
NO<= o:p> |
|
PRU=
EBA
4 |
794=
960 |
962=
500 |
82,=
59 |
6.4=
1 |
SI<= o:p> |
|
PRU=
EBA
5 |
502=
080 |
715=
950 |
70,=
13 |
6.4=
5 |
SI<= o:p> |
|
PRU=
EBA
6 |
334=
720 |
518=
000 |
64,=
62 |
6.1=
8 |
SI<= o:p> |
|
PRU=
EBA
7 |
878=
640 |
1 2=
40
200 |
70,=
85 |
6.5=
|
NO
APLICA |
Elaborado por:=
Grupo de Investigaci=
ón.
Las pruebas determinan
las temperaturas que se tiene en diferentes condiciones que se realizan las
pruebas, para una mejor visualización del proceso, se grafican los gradient=
es
de temperatura (figura 5) que son medidas en forma continua durante la prue=
ba
Figura 5: Temperaturas de
pruebas realizadas en diferentes condiciones.
Elaborado por:=
Grupo de Investigaci=
ón.
Análisis.
Una vez obtenido todos
los parámetros y realizado el cálculo de la eficiencia energética para cada=
una
de las pruebas establecidas, se analizan los resultados obtenidos, en los
cuales se puede observar que la mejor eficiencia del sistema de calentamien=
to por
inducción se lo obtiene en la prueba 4, donde
se trabaja con los niveles de energía de la cocina comercial con
Tabla 1:
Análisis de costo mensual
Elaborado por:=
Grupo de Investigaci=
ón
La prueba realizada c=
on
la ducha eléctrica llega a obtener una temperatura del agua más alta pero su
energía consumida tiene un alto valor, por lo cual su eficiencia es inferio=
r a
la de la prueba 4, donde se nota que la utilización de la lana de vidrio ay=
uda
a conservar el calor disminuyendo las pérdidas al medio ambiente, además de=
ja
claro que el sistema de calentamiento por inducción es más eficiente que el
sistema eléctrico.
Conclusiones.
·
Se utiliza acero AISI=
430
para diseñar el sistema de calentamiento por inducción ya que su coeficient=
e de
conductividad térmica 21 Kcal/m°C siendo el índ=
ice de
conductividad más alto que se tiene en los aceros inoxidables, de esta mane=
ra
se puede transmitir el calor en el menor tiempo posible y por sus
características ferromagnéticas lo hace el idóneo para ser utilizado en este
proyecto.
· =
La eficiencia del sis=
tema
de calentamiento por inducción mejora notablemente al ser recubierto por la=
na
de vidrio, lo cual evita la disipación de calor al medio ambiente permitien=
do
que exista una mayor transferencia de calor al agua que circula por el sist=
ema.
· =
La potencia nominal d=
el
sistema de inducción es de 2.5kW y durante la prueba que demora entre 6 min=
y 7
min se consume una energía de 920 000 J lo cual es aprovechado en un 72,77%=
por
el calefón prototipo, pero al memorar las perdidas por transferencia de cal=
or
se tiene un rendimiento del 82.59%, lo que da a conocer que es más eficiente
utilizar un calefón a inducción.
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Para citar el artículo indexado.
Silva F., Freire<=
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W.,
Cevallos
A.,
Sinchiguano G.,
Rivera
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http://www.cienciadigital.org/revistascienciadigital2/index.php/CienciaDigi=
tal/article/view/13/13
El artículo que se
publica es de exclusiva responsabilidad de los autores y no necesariamente
reflejan el pensamiento de la Revi=
sta
Ciencia Digital.
El
articulo queda en propiedad de la revista y, por tanto, su publicación parc=
ial
y/o total en otro medio tiene que ser autorizado por el director de la Revista Ciencia Digital.
www.cienciadigital.org Vol. 2, N°1, p. 8-=
18, enero
- marzo, 2018