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Vol. 1 - Núm. 1 (Ene - Jun 2019) ISSN - e: 2661 - 6688
Implementación de un Sistema Prototipo de
Calentamiento Eciente de Agua Potable por
Inducción Electromagnética
Implementation of a Prototype System for Efcient Heating of Drinking
Water using Electromagnetic Induction
1
Santiago Rojas,
2
Cristian Castro,
3
Jorge Paucar,
4
Miguel Tasambay
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, 060150, Riobamba, Ecuador
Emails:
1
santyrojas81194@gmail.com,
2
kristfa86@gmail.com,
3
jlpaucar@espoch.edu.ec,
4
miguel.tasambay@espoch.edu.ec
Resumen- Se implementó un sistema eciente para el calentamien-
to de agua potable utilizando el principio de inducción electromag-
nética. El proyecto consta de dos etapas un sistema de calentamien-
to y un control de temperatura del tipo ON-OFF. El circuito de
inducción electromagnética calienta una tubería de acero y esta a
su vez transere el calor a un pequeño caudal de agua almacenado
en un contenedor, un selector permite al usuario escoger la tempe-
ratura deseada, un sensor de caudal permite determinar el ujo
existente en la tubería, dos electro-válvulas colocadas a la entrada
y salida controlan la circulación del agua al exterior si solo si llegó
a la temperatura seleccionada evitando su desperdicio innecesario.
Considerando las pruebas realizadas el sistema posee una ecien-
cia superior al 80% y al contrastarlo con un sistema convencional
basado en resistencias genera un ahorro energético y monetario
de un 35%.
Palabras Clave- Energías Alternativas, Inducción Electromagné-
tica, control de temperatura, eciencia energética, Electrónica de
Potencia, Calentador, Conmutación, Potencia.
Abstract- An efcient system for heating drinking water using the
principle of electromagnetic induction was implemented. The pro-
ject consists of two stages: the heating system and a temperature
control of the ON-OFF type. The electromagnetic induction circuit
heats a steel pipe and this in turn transfers the heat to a small ow
of water stored in a container, a selector allows the user to choose
the desired temperature, a ow sensor that informs the existing
ow, two electro valves placed at the entrance and exit control the
circulation of water to the outside only if it reached the selected
temperature avoiding unnecessary waste. Considering the tests ca-
rried out, the system has an efciency superior to 80 % and when
contrasted with a conventional system based on resistances, it ge-
nerates an energy and monetary saving of 35 %.
Keywords- Alternative Energies, Electromagnetic induction, tem-
perature control, energy efciency, power electronic, heating, swit-
ching, power.
I. INTRODUCCIÓN
Según la fundación AQUAE [1] un sistema de calentamien-
to eléctrico consume 20 litros de agua por minuto, el impacto
ambiental que una persona ocasiona, al tomar una ducha es-
tándar, es el consumo de 200 litros de agua. Tomado en cuenta
las estadísticas proporcionadas por el INEC [2], la ciudad de
Riobamba tiene 31254 viviendas, de las cuales el 81.4% son
abastecidas por la red pública de agua potable y el 72% utilizan
sistemas de calentamiento eléctrico; si el tiempo muerto en el
cual el agua llega a la temperatura deseada oscila entre 15 y
20 segundos se visualiza un problema de desperdicio de agua
de 10 litros de agua por cada persona que realice esta acti-
vidad. Esta investigación se enfoca a resolver dos problemas
el primero la reducción de desperdicio de agua generado por
los tiempos muertos del proceso de calentamiento de agua y
el segundo incrementar la ecacia energética de un sistema de
calentamiento.
A.
Sistema de Calentamiento
En la actualidad, los sistemas de calentamiento de agua
potable utilizan diversas tecnologías y métodos que brinden ra-
pidez y bajo consumo de energía proveniente principalmente de
GLP [3], energía eléctrica y energía solar.
1) Calentadores instantáneos: El proceso y los datos obtenidos
en el desarrollo de un prototipo eciente de calentamiento de
agua por inducción electromagnética aplicando un convertidor
resonante cuya conmutación es ZVS (Conmutación con Voltaje
Cero) lo cual evita pérdidas de potencia por conmutación ya
que realiza el intercambio cuando no existe voltaje del Mos-
fet contrario [2]. Al igual se observa el diseño de un control
de temperatura encargado de establecer un valor seleccionado
por el usuario y permitir el ujo de salida solo cuando el siste-
ma haya alcanzado dicha temperatura, aquí se encuentran los
sistemas capaces de calentar el agua a la temperatura deseada
al momento requerido, por lo general poseen mecanismo que
enciende el sistema cuando existe circulación de agua por sus
tuberías. Además, estos sistemas no cuentan con tanques de al-
macenamiento. Los sistemas más destacados en este grupo son:
calefactores a GLP, calefactores eléctricos, duchas eléctricas.
Fecha de Recepción: 13 - Nov - 2018 Fecha de Aceptación: 27 - Nov - 2018
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Fig. 1. Eciencia de sistemas convencionales
2) Calentadores acumuladores: En este grupo se encuentran
los sistemas de calentamiento progresivo del agua, mientras
la acumulan en tanques de almacenamiento, dichos sistemas
dependen principalmente de la cantidad de agua y de la tempe-
ratura deseada. Los sistemas más comúnmente utilizados son:
termo tanques a GLP, termo tanques eléctricos, sistemas de ca-
lentamiento solar.
B.
Eciencia de los sistemas convencionales de calentamiento
En la gura 1 la eciencia mostrada por los sistemas con-
vencionales no supera el 80 %, considerando los más ecientes
aquellos que operan con energía solar, esto hace con los siste-
mas eléctricos de calentamiento, ya sea acumuladores o instan-
táneos, obtienen una eciencia no superior al 62 %.
C.
Inducción electromagnética
El principio básico de calentamiento basado en inducción
electromagnética se modela con el uso de las leyes de Ampere,
Faraday y el Efecto Joule. Para conseguir el aumento de tem-
peratura en un material, se necesita generar un campo mag-
nético con una magnitud considerable y variable en el tiempo.
Luego, se dene el material a calentar capaz de aprovechar el
efecto de disipación de potencia producido por las corrientes
inducidas o Foucault. [4]
Al circular una corriente i, por un inductor de N espiras y
longitud l, se induce en su interior una intensidad de campo
magnético H descrita en la ecuación 1.
(1)
Si en el interior del solenoide se encuentra una pieza de
material conductor la cual por simplicación se asume un ci-
lindro r, longitud l, resistividad y permeabilidad magnética, se
induce una fuerza electromotriz FEM que se modela mediante
la ecuación 2. [5]
(2)
Fig. 1. Eciencia de sistemas convencionales
Fig. 2. Eciencia de sistemas convencionales
La FEM produce corrientes If, llamadas corrientes de Fou-
cault que son los responsables del aumento de temperatura,
debido a la disipación de potencia, la cual en ocasiones puede
fundir un material. La ecuación
representa el efecto Joule [6].
(3)
II. METODOLOGÍA
A.
Arquitectura General
En la gura 2 se presenta la arquitectura general del sistema
el cual consta de una fuente de alimentación conmutada la que
energiza el sistema convertidor resonante y genera una señal
que será captada por el circuito tanque resonante para nal-
mente encontrarse con la carga. Todo esto bajo el sistema de
control que se encarga de supervisar la temperatura y dirigir la
activación o desactivación de los actuadores.
B.
Parámetros de Funcionamiento
Para asegurar una alta eciencia del sistema de calenta-
miento es indispensable calcular la energía necesaria para
calentar la pieza a temperatura suciente de tal manera que
pueda transferir el calor al agua mediante el método de transfe-
rencia por conducción. Para ello se utiliza una pieza de tubería
de acero férrico AISI 430 el cual presenta buenas propiedades
mecánicas y eléctricas para ser sometido a calentamiento por
inducción electromagnética [7].
1) Potencia Requerida: Para el cálculo de la potencia requeri-
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da para calentar la tubería de acero AISI 430
(ver gura 3) son
necesario los siguientes datos:
• Dimensiones: 1cm * 1cm * 10cm
• Espesor: 0.06cm
• Calor especíco:
0.11kcal/KgC
• Peso volumétrico del acero: 7850Kg/m2
Fig. 3. Tubería sometida a inducción electromagnética
Se puede determinar que le energía caloríca necesaria
para la tubería seleccionada se puede determinar en base a la
ecuación 4.
(4)
Lo que equivale a una potencia aproximada de 1000 W.
2) Parámetros del conversor resonante: Considerando una po-
tencia 1000W y una frecuencia de resonancia de 42 KHz se ne-
cesita una corriente de funcionamiento de i = 20.83A.
Considerando que el material a utilizar en este caso Acero
Inoxidable AISI 430 tiene una resistividad eléctrica de 1.3797
[Ω] y una permeabilidad magnética al vacío de 1,000068 y una
frecuencia de 42 KHz entonces al reemplazar estos datos en la
ecuación 5 determinamos la profundidad de penetración.
(5)
La capacitancia de resonancia necesaria para generar esta
frecuencia está determinada por la ecuación 6.
(6)
La inductancia de la bobina resonante se determinó usando
la ecuación 7.
(7)
C. Diseño del sistema
1) Diseño del convertidor resonante: Para la implementación
del sistema de inducción se eligió un convertidor resonante
paralelo cuya conmutación es de voltaje cero (ZVS), como se
muestra en la gura 4. Al suministrar voltaje desde la fuente, la
corriente comienza a circular a través de la bobina y en el pin
drain de los transistores. Simultáneamente ese voltaje aparece
en los pines gate de los transistores y comienza a activarlos.
Este oscilador es de conmutación de voltaje cero (ZVS), lo
que signica que los Mosfet cambian cuando tienen cero voltios
a través de ellos, lo que puede ser observado en los resultados
de la simulación mostrada en la gura 5.
Fig. 4. Diagrama del circuito del sistema de inducción electromagnética.
Fig. 5. Conmutación de los Mosfet al conmutar por cero.
La técnica antes detallada es una gran ventaja debido a
que el cambio se producirá cuando existe menos energía, lo que
en su mayoría elimina pérdidas originadas por la conmutación
de los semiconductores, recordemos que, cuanto mayor sea la
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frecuecia a la cual trabaja el sistema, mayores pérdidas por
conmutación se originan y desprenden grandes cantidades de
calor. L1 y L2 se coloca en serie con la fuente de alimentación
funcionando como un estrangulador para mitigar los picos de
corriente.
Tanto R1 y R2 limitan la corriente que ingresan en las com-
puertas para evitar daños por sobre corriente en los transis-
tores. Las resistencias R3 y R4 tienen la función de lanzar la
tensión hacia abajo para evitar el enganche del transistor mos-
fet, es decir que no permite que el mosfet se inhiba y no pueda
apagarse. Los diodos Zener D1 y D2 regulan el voltaje de com-
puerta a 18 V. D3 y D4 aseguran el voltaje de las compuertas a
tierra cuando el voltaje en la pata opuesta del circuito tanque
resonante está en cero. R1 y LED1 son señales de que la fuente
está funcionando.
Fig. 6. Forma de Onda
2) Diseño de la capacitancia resonancia: Para realizar el dise-
ño del circuito tanque primero se debe colocar los condensado-
res en paralelo considerando que en esta conguración que la
capacitancia se suma tantas veces como condensadores existan,
buscando generar una capacitancia de 2.97uF , teniendo en
cuenta que se tiene condensadores estándar cuya capacitancia
es 0.33uF.
3) Diseño de la inductancia resonante resonancia: Para obte-
ner dicho inductor, el diámetro del tubo de cobre con la cual se
realizará el bobinado es de 6mm , el núcleo de aire especicado
es de 90mm Por lo que procedemos a utilizar la ecuación 8
para determinar el número de espiras que debe tener el induc-
tor para cumplir con los requerimientos necesarios.
(8)
Al resolver la ecuación y despejar la variable n obtenemos
como resultado que el número de vueltas a darse son de 7, así se
cumplirán con los parámetros establecidos del inductor.
4) Etapa de potencia: Esta variación se realiza en cada medio
ciclo, es decir, en el ciclo positivo Q1 se dispara hasta llegar
a un pico máximo y comienza a descender a medida que Q1
se apaga, Q2 empieza a encenderse hasta que se da lugar a
la conmutación al pasar por el medio ciclo una vez realizada
la conmutación Q2, empieza a subir hasta llegar a otro pico
máximo, luego de esto empieza a descender, así esta variación
se efectúa para cada medio ciclo dando a lugar a la Inducción
Electromagnética.
D.
Algoritmo del sistema de control
El algoritmo de control funciona bajo un ciclo de repetición
WHILE que ejecuta todos los procesos de control del prototipo
mientras el Switch de Encendido (SWEncendido) se encuentre
activado, caso contrario el sistema se mantiene apagado con
las electro-válvulas abiertas para permitir la circulación nor-
mal del ujo de agua sin calentar. El algoritmo de control se
muestra en la gura 7.
Una vez activado el Switch de Encendido, un sensor de
nivel tipo boya (SensorNivel) permite detectar si el contenedor
se encuentra lleno de agua, de ser este el caso el sistema de
control cierra la electro-válvula de entrada y procede a encen-
der las bombas de agua (Bomba1, Bomba2) junto con el siste-
ma de potencia (inducción) comenzando de esta manera con
la circulación de agua por la tubería sometida a la inducción
electromagnética aumentando gradualmente la temperatura de
la misma. En el caso de que el depósito no se encuentre lleno
se procede a abrir la electroválvula de entrada para permitir
el ingreso de agua potable al prototipo y ejecuta el proceso de
detección de caudal de agua. El proceso de detección de caudal
(QEntrada) cumple con una función de protección.
Fig. 7. Algoritmo del sistema de control
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Al ser el medio para detectar la existencia o ausencia de
agua en el sistema, de no existir ujo de agua de ingreso al sis-
tema la etapa de potencia como las bombas de re circulación de
agua se desactivan puesto que, si no existe agua circulando por
la tubería sometida a inducción, esta aumenta su temperatura
alcanzando un estado de incandescencia en pocos segundos po-
niendo en riesgo la integridad del sistema como la del usuario.
Suponiendo que no existe ningún problema en la ejecución de
los procesos anteriores las bombas de re circulación y la etapa
de potencia se encuentran funcionado correctamente, el algo-
ritmo procede a ejecutar los procesos de lectura de temperatura
del agua (TempSensor) en el contenedor tanto como de la tem-
peratura ingresada por el usuario (SetPoint). Se debe tener en
cuenta que al utilizar un sistema de inducción electromagnética
el campo magnético generado puede inducir a su vez pequeñas
corrientes parásitas en el cable y acondicionador del sensor
enerando lecturas erróneas, razón por la cual la lectura de la
temperatura del agua se la realiza desconectando el circuito
de inducción por un momento cada cierto tiempo previamente
determinado. En la gura 8 se muestra el diagrama de ujo que
explica el funcionamiento de obtención de datos de sensor.
Una vez obtenida la temperatura real del agua esta se mues-
tra en una pantalla, luego realizar una comparación entre am-
bos datos permitiendo o no la salida del agua siempre y cuando
esta alcanzó la temperatura deseada. Si el agua está a la tem-
peratura indicada la electro válvula de salida se activa dejan-
do uir el agua por la tubería y detiene el funcionamiento del
circuito de potencia y bombas hasta que el nivel de agua en el
tanque descienda o bien la temperatura del agua disminuya por
debajo de la deseada por el usuario.
III. RESULTADOS
A. Mediciones Experimentales
1) Caracterización del Sensor de Temperatura: Para la calibra-
ción y abilidad del sensor de temperatura (termocupla tipo K),
se optó por realizar la toma de 10 muestras de agua a diferentes
temperaturas dentro del rango de trabajo del prototipo y con-
trastarlas con muestras obtenidas con un multímetro AideTek
VC97+ utilizado como señal patrón.
Tabla I
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
Con los datos presentados en la tabla I se vericó que el error
absoluto promedio del termopar tipo k es de 0,4 considerando
que este tiene una resolución de 1 C con una exactitud de más
del 80% se llegó la conclusión de que el sensor es aceptable,
pues la variación de 0,4 no inuye en la temperatura apreciada
por el ser humano.
Fig. 8. Algoritmo de adquisición de temperatura
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2) Llenado del tanque: En la tabla II se determinó que el tiempo
promedio que tarda el contenedor en llenarse es de 3 minutos y
25 segundos con un error 0.05 segundos, considerando un cau-
dal constante de 1.83 litros/minuto con un error de 0.25 debido
al instrumento de medición.
Tabla II
LAPSO DE TIEMPO PARA OBTENER NIVEL ÓPTIMO EN EL
CONTENEDOR
3) Tiempo en alcanzar 25°C: En la tabla III se determinó que el
tiempo promedio que tardó el prototipo en alcanzar esta tempe-
ratura es de 4 minutos con 7 segundos con un error de instru-
mentación de 0.05 segundos para alcanzar una temperatura de
25ºC con un error de 0.5ºC.
Tabla III
TIEMPO QUE TARDA EL PROTOTIPO EN ALCANZAR UNA
TEMPERATURA DE 25C
4) Tiempo en alcanzar 30°C: Se observó en la tabla IV, el prome-
dio del prototipo en alcanzar la temperatura para este apartado
es de 7 minutos y 18 segundos con un error de 0.05 segundos
para alcanzar una temperatura de 30ºC con un error de 0.5ºC.
Tabla IV
TIEMPO QUE TARDA EL PROTOTIPO EN ALCANZAR UNA
TEMPERATURA DE 30ºC
5) Tiempo en alcanzar 35°C: Se observa que en la tabla V, el
promedio que tardó el prototipo en alcanzar la temperatura
para una temperatura de 35ºC con un error de instrumento de
0.5ºC es de 10 minutos y 8 segundos con un error de +- 0.05
segundos.
Tabla V
TIEMPO QUE TARDA EL PROTOTIPO EN ALCANZAR UNA
TEMPERATURA DE 35ºC
6) Tiempo en alcanzar 40°C: Se observa en la tabla VI, el pro-
medio que tardó el prototipo en alcanzar la temperatura para
una temperatura de 40 ºC con un error de 0.5 segundos es de 14
minutos con 46 segundos con un error de medición de 0.05 ºC.
Tabla VI
TIEMPO QUE TARDA EL PROTOTIPO EN ALCANZAR UNA
TEMPERATURA DE 40ºC
7) Tiempo en alcanzar 45°C: Se observa en la tabla VII, que
el promedio que tardó el prototipo en alcanzar la temperatura
máxima para el prototipo de 45ºC con un error de 0.5ºC es de
20 minutos y 29 segundos con un error por instrumentación de
0.05 segundos.
Tabla VII
TIEMPO QUE TARDA EL PROTOTIPO EN ALCANZAR UNA
TEMPERATURA DE 45ºC
8) Eciencia Energética del Prototipo: La ecuación 9 se emplea
para determinar la energía almacenada por el sistema.
(9)
Potencia eléctrica consumida
(10)
Eciencia energética
(11)
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Tabla VIII
EFICIENCIA EL SISTEMA
En la tabla VIII se puede visualizar los datos promedios de
las pruebas realizadas al sistema.
IV. CONCLUSIONES
Se observó que el dispositivo cuenta con una eciencia su-
perior al 69% la cual, en este tipo de sistemas, es alto debido a
que no existe muchas pérdidas por conmutación gracias al con-
vertidor ZVS utilizado ya que su función es conmutar cuando el
voltaje cae a cero evitando desprendimiento de calor. También
se debe considerar que al observar el datasheet de las fuentes
conmutadas poseen una eciencia del 87% lo cual limita la e-
ciencia de cualquier dispositivo que las utilice.
REFERENCIAS
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Basado en el Principio de Inducción Electromagnética,” 2014.
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