proyectos duchas electricas

PROYECTOS DUCHAS ELECTRICAS

INSTALACIONES, EQUIPOS Y MAQUINARIAS ELECTRICAS

INDICE

INTRODUCION…………………………………………………………………………………………………………………5

CONCEPTO GENERALES………………………………………………………………………………

……………………5

1.1 Resistencia Eléctrica…………………………………………………………………………………

……………….51.2 Efecto

Joule……………………………………………………………………………………………………………….9

1.3 Aplicaciones del efecto joule…………………………………………………………………………………….11

1.4 Resistencia calentadora………………………………………………………………………………

……………...121.5 Resistencia calentadora

comerciales…………………………………………………………………………..13

CAPITULO ll: ELEMENTOS DEL CONTROL DE TEMPERATURA

2.1Termistor…………………………………………………………………………………………………………………………16

2.1.1 Termistor NTC…………………………………………………………………………………………

…………………….16

2.2.1 Termistor PTC…………………………………………………………………………………………

………………………19

INSTALACIONES, EQUIPOS Y MAQUINAS ELECTRICAS

CAPITULO I. DUCHA ELECTRICA (TEORIA)

CONTROL DIGITAL DE APERTURA Y TEMPERATURA DE UNA DUCHA ELECTRICA

INTRODUCION.

Las duchas eléctricas son unidades muy pequeñas instaladas a pocas distancias del lugar donde se requiere el agua caliente. Son alimentadas con electricidad y se activan

automáticamente por flujo o manualmente con un interruptor, su uso se reduce a unas pocas aplicaciones comerciales o domesticas.

Tiene un elevado consuno eléctrico van desde 1500 a 5000 W. Solo tiene un uso práctico en países de clima templado.

En su interior una ducha consta únicamente de una resistencia calentadora. Es el objetivo de este capítulo, dar a entender la estructura y los principios de funcionamiento de este

componente.

CONCEPTOS GENERALES.

1.1 Resistencia Eléctrica

Se denomina resistencia eléctrica, R, de una sustancia, a la oposición que encuentra la corriente eléctrica para circular a través de dicha sustancia. Su valor viene dado en ohmios,

se designa con la letra griega omega mayúscula (Ω), y se mide con el Óhmetro.

Ilustración 2 Símbolo técnico de una resistencia eléctrica

La razón por la cual se acordó utilizar esa letra griega en lugar de la “O” del alfabeto latino fue para evitar que se confundiera con el número cero “0”

Esta definición es válida para la corriente continua y para la corriente alterna cuando se trate de elementos resistivos puros, esto es, sin componente inductiva ni capacitiva. De

existir estos componentes reactivos, la oposición presentada a la circulación de corriente recibe el nombre de impedancia.

Según sea la magnitud de esta oposición, las sustancias se clasifican en conductoras, aislantes y semiconductoras. Existen además ciertos materiales en los que, en determinadas condiciones de temperatura, aparece un fenómeno denominado superconductividad, en el

que el valor de la resistencia es prácticamente nulo.

El ohm se define como la resistencia que ofrece al paso de la corriente eléctrica una columna de mercurio (Hg) de 106,3 cm de alto, con una sección transversal de 1 mm2, a

una temperatura de 0o Celsius.

De acuerdo con la “Ley de Ohm”, un ohm (1Ω) es el valor que posee una resistencia eléctrica cuando al conectarse a un circuito eléctrico de un volt (1V) de tensión provoca un flujo de corriente de un amperio (1A). La fórmula general de la Ley de Ohm es la siguiente:

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La resistencia eléctrica, por su parte, se identifica con el símbolo o letra (R) y la fórmula para

Despejar su valor, derivada de la fórmula general de la Ley de Ohm,

1.1.2 Calculo de la Resistencia Eléctrica de un material al paso de corriente.

Para calcular la resistencia (R) que ofrece un material al paso de la corriente eléctrica, es necesario conocer primero cuál es el coeficiente de resistividad o resistencia específica

(rho) de dicho material, la longitud que posee y el área de su sección transversal.

A continuación se muestra una tabla donde se puede conocer la resistencia específica en m2/ M, de algunos materiales, a una temperatura de 20° Celsius.

Material Resistividad (Ω. Mm2/m)a 20cAluminio 0,028Carbón 40Cobre 0,0172

Constatan 0,489Nicromo 1,5

Plata 0,0159Patino 0,111Plomo 0,205

Tungsteno 0,0549

Tabla 1 Resistividad Específica

Para realizar el cálculo de la resistencia que ofrece un material al paso de la corriente eléctrica, se utiliza la siguiente fórmula:

R=p1_

S

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R = Resistencia del material (Ω).

ρ = Coeficiente de resistividad o resistencia específica del material en _Ω*mm2, a una

Temperatura dada.

l = Longitud del material en metros.

s = Superficie o área transversal del material en mm2.

1.1.3 Como influye la temperatura en la resistencia del conductor.

La temperatura influye directamente en la resistencia que ofrece un conductor al paso de la corriente eléctrica. A mayor temperatura la resistencia se incrementa, mientras que a menor

temperatura disminuye.

Sin embargo, teóricamente toda la resistencia que ofrecen los metales al paso de la corriente eléctrica debe desaparecer a una temperatura de 0° K (cero grado Kelvin), o "cero absoluto", equivalente a – 273,16º C (grados Celsius), o – 459,69º F (grados Fahrenheit),

punto del termómetro donde se supone aparece la superconductividad o "resistencia cero" en los materiales conductores.

En el caso de los metales la resistencia es directamente proporcional a la temperatura, es decir si la temperatura aumenta la resistencia también aumenta y viceversa, si la

temperatura disminuye la resistencia también disminuye; sin embargo, si hablamos de elementos semiconductores, como el silicio (Si) y el germanio (Ge), por ejemplo, ocurre todo lo contrario, pues en esos elementos la resistencia y la temperatura se comportan de forma inversamente proporcional, es decir, si una sube la otra baja su valor y viceversa.

Una resistencia ideal es un elemento pasivo que disipa energía en forma de calor según la ley de Joule. También establece una relación de proporcionalidad entre la intensidad de

corriente que la atraviesa y la tensión medible entre sus extremos, relación conocida como ley de Ohm.

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Ilustración 3 Electrones dentro de un conductor

A.- Electrones fluyendo por un buen conductor eléctrico, que ofrece baja resistencia.

B.- Electrones fluyendo por un mal conductor eléctrico, que ofrece alta resistencia a su paso. En ese caso los electrones chocan unos contra otros al no poder circular libremente y,

como consecuencia, generan calor.

Normalmente los electrones tratan de circular por el circuito eléctrico de una forma organizada, de acuerdo con la resistencia que encuentren a su paso. Mientras menor sea esa

resistencia, mayor será el orden de los electrones; pero cuando la resistencia es elevada, comienzan a chocar unos con otros y a liberar energía en forma de calor. Esa situación hace

que siempre se eleve la temperatura del conductor y que, además, adquiera valores más altos en el punto donde los electrones encuentren una mayor resistencia a su paso.

En general, una resistencia real podrá tener diferente comportamiento en función del tipo de corriente que circule por ella.

Una resistencia real en corriente continua (CC) se comporta prácticamente de la misma forma que si fuera ideal, esto es, transformando la energía eléctrica en calor.

La variación de la temperatura produce una variación en la resistencia. En la mayoría de los metales aumenta su resistencia al aumentar la temperatura, por el contrario, en otros

elementos, como el carbono o el germanio la resistencia disminuye.

Como ya se comentó, en algunos materiales la resistencia llega a desaparecer cuando la temperatura baja lo suficiente. En este caso se habla de superconductores.

Una resistencia disipa en calor una cantidad de potencia proporcional a la intensidad que la atraviesa y a la caída de tensión que aparece en sus bornes. Esto es P=V*I, aunque suele ser

Más cómodo usar la ley de Joule.



Observando las dimensiones del cuerpo de la resistencia, las características de conductividad de calor del material que la forma y que la recubre, y el ambiente en el cual

está pensado que opere, el fabricante calcula la potencia que es capaz de disipar cada resistencia como componente discreto, sin que el aumento de temperatura provoque su

destrucción. Esta temperatura de fallo puede ser muy distinta según los materiales que se estén usando. Esto es, una resistencia de 2W formada por un material que no soporte mucha

temperatura, estará casi fría (y será grande); pero formada por un material metálico, con

recubrimiento cerámico, podría alcanzar altas temperaturas (y podrá ser mucho más pequeña).

El fabricante dará como dato el valor en vatios que puede disipar cada resistencia en cuestión. Este valor puede estar escrito en el cuerpo del componente o se tiene que deducir de comparar su tamaño con los tamaños estándar y sus respectivas potencias. El tamaño de las resistencias comunes, cuerpo cilíndrico con 2 terminales, que aparecen en los aparatos

eléctricos domésticos

suelen ser de 1/4 W, existiendo otros valores de potencias de comerciales de 1/2

W, 1 W, 2 W, etc.

Entre los metales que ofrecen mayor resistencia al paso de la corriente eléctrica se encuentra el alambre nicromo (Ni-Cr), compuesto por una aleación de 80% de níquel (Ni) y 20% de cromo (Cr). Ese es un tipo de alambre ampliamente utilizado como resistencia fija

o como resistencia variable (reóstato), para regular la tensión o voltaje en diferentes dispositivos eléctricos. Además se utilizan también resistencias fijas de alambre nicromo de

diferentes diámetros o grosores, para producir calor en equipos industriales, así como en electrodomésticos de uso muy generalizado.

Entre esos aparatos o quipos se encuentran las planchas, los calentadores o estufas eléctricas utilizadas para calentar el ambiente de las habitaciones en invierno, los

calentadores de agua, las secadoras de ropa, las secadoras para el pelo y la mayoría de los aparatos eléctricos cuya función principal es generar calor.

1.2 Efecto Joule

Si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material

conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. Este efecto es conocido como Efecto



Joule en honor a su descubridor el físico británico James Prescott Joule, que lo estudió en la década de 1860.

Los sólidos tienen generalmente una estructura cristalina, ocupando los átomos o moléculas los vértices de las celdas unitarias, y a veces también el centro de la celda o de sus caras. Cuando el cristal es sometido a una diferencia de potencial, los electrones son impulsados por el campo eléctrico a través del sólido debiendo en su recorrido atravesar la intrincada

red de átomos que lo forma. En su camino, los electrones chocan con estos átomos perdiendo parte de su energía cinética, que es cedida en forma de calor.

Este efecto fue definido de la siguiente manera: "La cantidad de energía calorífica producida por una corriente eléctrica, depende directamente del cuadrado de la intensidad

de la corriente, del tiempo que ésta circula por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente". Matemáticamente se expresa como

Donde:

Q = energía calorífica producida por la corriente

I = intensidad de la corriente que circula y se mide en amperios

R = resistencia eléctrica del conductor y se mide en ohmios t = tiempo el cual se mide en segundos

La resistencia es el componente que transforma la energía eléctrica en energía calorífica, (por ejemplo un hornillo eléctrico, una estufa eléctrica, una plancha etc.).

Mediante la ley de Joule podemos determinar la cantidad de calor que es capaz de entregar una resistencia, esta cantidad de calor dependerá de la intensidad de corriente que por ella circule y de la cantidad de tiempo que esté conectada, luego podemos enunciar la ley de Joule diciendo que la cantidad de calor desprendido por una resistencia es directamente

proporcional a la intensidad de corriente a la diferencia de potencial y al tiempo.



En este efecto se basa el funcionamiento de diferentes electrodomésticos como los hornos, las tostadoras y las calefacciones eléctricas, y algunos aparatos empleados industrialmente

como soldadoras, etc., en los que el efecto útil buscado es, precisamente, el calor que desprende el conductor por el paso de la corriente.

Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones es un efecto indeseado y la razón por la que los aparatos eléctricos y electrónicos necesitan un ventilador que disipe el calor generado y

evite el calentamiento excesivo de los diferentes dispositivos.

1.2.1 Aplicaciones del efecto Joule

Todos los dispositivos eléctricos que se utilizan para calentamiento se basan en el efecto Joule, es decir, estos aparato consisten esencialmente en una resistencia que se calienta al

ser recorrida por la corriente.

Las lámparas de incandescencia (o de filamento incandescentes), como la lámpara de tungsteno, conocida comúnmente como bombilla de luz, también constituyen una

aplicación del efecto Joule. Sus filamentos de tungsteno, que es un metal cuyo punto de fusión es muy elevado, al ser recorridos por una corriente eléctrica, se calientan y pueden alcanzar altas temperaturas (casi 2500º C), volviéndose incandescentes y emitiendo una

gran cantidad de luz.

Otra aplicación del efecto Joule se encuentra en la construcción de fusibles, elementos que se emplean para limitar la corriente que pasa por un circuito eléctrico; por ejemplo, en un automóvil, una casa, un aparato electrodoméstico, etc. Estos dispositivos

están constituidos por una tirilla metálica, generalmente de plomo, el cual tiene un punto de fusión bajo; de esta manera, cuando la corriente que pasa por el fusible sobrepasa cierto

valor (el amperaje propio de cada fusible), el calor generado por el efecto Joule produce la fusión del elemento, interrumpiendo así el paso de corriente excesiva. Por ejemplo, en una

casa a medida que se van conectando a la red eléctrica varios aparatos, la corriente que “entra” a la casa a través del fusible, se va volviendo cada vez mayor. Si no existiera el

fusible y el número de aparatos conectados fuera muy grande, la corriente que circularía en la instalación podría llegar a ser muy intensa. Esto produciría un calentamiento indeseable,

e


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Incluso peligroso, de los conductores. El fusible impide que esto suceda, porque al fundirse, interrumpe el paso de la corriente cuando alcanza un valor mayor que el límite superior de

seguridad.

En la actualidad, además de los fusibles se emplean en las casas los llamados interruptores termo magnéticos (automáticos). En estos últimos elementos, el calentamiento

de un dispositivo bimetálico produce su dilatación, haciendo que el circuito se abra.

El fusible y el interruptor automático también protegen a un circuito eléctrico cuando ocurre un “cortocircuito”. Este fenómeno se produce cuando por un motivo cualquiera, la resistencia conectada de un circuito se vuelve muy pequeña, haciendo que la corriente

alcance un valor muy intenso, lo cual hace que el fusible o interruptor abra el circuito, impidiendo que se produzcan efectos perjudiciales.

Como se puede observar el efecto Joule tiene muchas aplicaciones beneficiosas, en los que se requiere el calor que desprende un conductor por el paso de la corriente a través de él.

Sin embargo, en muchas otras aplicaciones es un efecto indeseado y la razón por la que los aparatos eléctricos y electrónicos requieran de un ventilador que disipe el calor generado y

evite el calentamiento excesivo de los diferentes dispositivos.

1.3 Resistencia Calentadora.

Las resistencias calentadoras convierten energía eléctrica en calor. Procedimiento descubierto por James Prescott Joule cuando en 1841 al hacer circular corriente eléctrica a

través de un conductor se liberó calor por encontrar resistencia.

En la actualidad las resistencias calentadores se utilizan para infinidad de aplicaciones. La gran mayoría de ellas son fabricadas con un alambre de una aleación de níquel (80%) y cromo (20%). Esta aleación soporta temperaturas muy altas (1000º C), es resistivo (condición necesaria para generar calor), es muy resistente a los impactos y es

inoxidable.

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Como las usadas en cocinas eléctricas, calentadores de agua, hornos eléctricos o cafeteras. Aquí el alambre de níquel-cromo se cubre con cerámica y después se enchaqueta con cobre cromado o con Incoloy (níquel 45%, cromo 30%, hierro 22%, cobre 3%). La selección de

la chaqueta depende del uso, el Incoloy es más resistente al óxido a temperaturas de 800º C, mientras que las enchaquetadas en cobre son generalmente para calentamiento de líquidos

por inmersión.

1.3.1 Resistencias Calentadoras Comerciales.

Alambre de níquel-cromo

Se trata del fino alambre desnudo (sin ningún recubrimiento) como el usado en secadores de cabello o tostadoras de pan.

Resistencias Selladas

Resistencia calentadora chaqueta de cobre cromado para inmersión. Como las usadas en cocinas eléctricas, calentadores de agua, hornos eléctricos o cafeteras. Aquí el alambre de níquel-cromo se cubre con cerámica y después se enchaqueta con cobre cromado o con Incoloy (níquel 45%, cromo 30%, hierro 22%, cobre 3%). La selección de la chaqueta

depende del uso, el Incoloy es más resistente al óxido a temperaturas de 800º C, mientras que las enchaquetadas en cobre son generalmente para calentamiento de líquidos por

inmersión.

Lámparas de calor

Son lámparas diseñadas para generar calor y no luz. Su filamento incandescente se mantiene a baja temperatura y si se evita producir luz dentro del espectro visible.

Resistencias cerámicas

Son resistencias de coeficiente resistivo térmico positivo. La mayoría de las cerámicas tienen coeficiente resistivo negativo, mientras que los metales lo tienen positivo.

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Los metales aumentan un poco su resistencia al aumentar el calor, pero este tipo de cerámicas no tienen una respuesta resistiva lineal al calor. Cuando esta resistencia pasa su umbral de temperatura pierde conductividad. Como resultado, son resistencias y a la vez termostatos, ya que permiten pasar corriente cuándo están fríos pero dejan de conducir

corriente al calentarse. Estas resistencias están hechas de titanato de bario o titanato de plomo (BaTiO3 o PbTiO3).

Entre los usos de estos materiales están las delgadas capas de película de los vidrios traseros de los automóviles que desempañan la condensación.

Otros materiales

Existen muchos otros materiales exóticos empleados para hacer resistencias calentadoras: platino, disiliciuro de molibdeno y el carburo de silicio. El carburo de silicio tiene un punto

de fusión de 2730° C, lo usan los calentadores de gas para detectar la llama.



CAPITULO II. ELEMENTOS PARA EL CONTROL

DE TEMPERATU


Esquema general del control de temperatura

Ilustración 5 Elementos del Controlador de Voltaje

2.1 Termistor

Un termistor es un semiconductor que varía el valor de su resistencia eléctrica en función de la temperatura, su nombre proviene de Thermal Sensitive Resistor (Resistor sensible a la

temperatura). Existen dos clases de termistores: NTC y PTC.

Principios Básicos de Operación del Termistor

Resistencia sensible a la temperatura

Semiconductor elaborado a base de óxidos de metales.

Se fabrican Termistores con coeficientes positivos y negativos de temperatura.

Valores de resistencia de 2252 W a 10000 W a 25 0C.

Tienen un alcance hasta 300 0C. Características del Termistor

Son muy exactos. Son estables.

Alta resistencia y sensibilidad.

Estandarización entre vendedores.



Requieren de alimentación. Presentan auto calentamiento.

2.1.1 Termistor NTC

Un Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor va decreciendo a medida que aumenta la temperatura. Son resistencias de coeficiente

de temperatura negativo, constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado, es decir, su conductividad crece muy rápidamente con la

temperatura.

Se emplean en su fabricación óxidos semiconductores de níquel, zinc, cobalto, etc. Los termistores son muy sensibles a la temperatura y de muy de alta resistencia de ahí su relación de resistencia vs. Temperatura. Se utilizan en muchos otros dispositivos de

detección y corrección de temperatura, así como dispositivos especiales en las sondas de temperatura para el comercio, la ciencia y la industria.

Los termistores trabajan generalmente en un rango de temperatura relativamente pequeña, en comparación con otros sensores de temperatura, y pueden ser muy exactos y precisos

dentro de ese rango.



Ilustración 7 Apariencia externa de los NTC

La relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal, sino exponencial (no

Cumple la ley de Ohm).

Donde:

A y B son constantes que dependen del resistor. La curva nos muestra esa variación

La característica tensión-intensidad (V/I) de un termistor NTC presenta un carácter peculiar ya que, cuando las corrientes que lo atraviesan son pequeñas, el consumo de potencia (R *

I2) será demasiado pequeño para registrar aumentos apreciables de

Temperatura, o lo que es igual, descensos en su resistencia óhmica; en esta parte de la



Característica, la relación tensión-intensidad será prácticamente lineal y en consecuencia cumplirá la ley de Ohm.

Si seguimos aumentando la tensión aplicada al termistor, se llegará a un valor de intensidad en que la potencia consumida provocará aumentos de temperatura suficientemente grandes

como para que la resistencia del termistor NTC disminuya apreciablemente, incrementándose la intensidad hasta que se establezca el equilibrio térmico. Ahora nos

encontramos, pues, en una zona de resistencia negativa en la que disminuciones de tensión corresponden aumentos de intensidad.

2.1.2 Termistor PTC

Un termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor va aumentando a medida que se incrementa la temperatura.

Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones: limitación de corriente, sensor de temperatura, desmagnetización y para la protección contra el recalentamiento de equipos tales como motores eléctricos. También se utilizan en

indicadores de nivel, para provocar retardos en circuitos, como termostatos, y como resistores de compensación.

El termistor PTC pierde sus propiedades y puede comportarse eventualmente de una forma similar al termistor NTC si la temperatura llega a ser demasiado alta.

Las aplicaciones de un termistor PTC están, por lo tanto, restringidas a un determinado margen de temperaturas.

Hasta un determinado valor de voltaje, la característica I/V sigue la ley de Ohm, pero la resistencia aumenta cuando la corriente que pasa por el termistor PTC provoca un

calentamiento y se alcanza la temperatura de conmutación. La característica I/V depende de la temperatura ambiente y del coeficiente de transferencia de calor con respecto a dicha

temperatura ambiente.

RESUMEN

El presente proyecto muestra el diseño y construcción de un prototipo de ducha eléctrica de alta eficiencia, este es un sistema que reduce el consumo de energía eléctrica de un

sistema de ducha eléctrica convencional por medio del precalentamiento del agua de baño utilizando el calor remanente presente en el agua que se va al sumidero a través de la adaptación de un intercambiador de calor y un sistema de control que apaga la ducha

cuando es necesario, además se adapta un sistema de ahorro de agua por efecto Venturi.

. El ahorro que se obtiene tanto en el consumo de energía eléctrica como en el consumo de agua potable, es mayor al 50%. Para el diseño y construcción del prototipo se parte del hecho que una ducha eléctrica es un sistema altamente ineficiente pero de alto grado de

utilización en el país.

El calor que posee el agua que fluye hacia el desagüe se reutiliza adaptando y diseñando un sistema de recuperación de calor, que precalienta el agua que ingresa a la ducha cuya

temperatura se mantiene estable por medio de un sistema de control que apaga o enciende la ducha según sea necesario generando de esa manera el ahorro de electricidad.

El sistema de ahorro de agua por efecto Venturi se diseña de modo que el agua se atomice como en un rociador normal pero con una menor apertura de la válvula de paso. Se realizan

pruebas para determinar el funcionamiento del prototipo y los porcentajes de ahorro, y finalmente se analizan resultados obteniendo conclusiones y recomendaciones del proyecto.

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