CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se relaciona con los campos técnicos de la Eléctrica, Mecánica y Termodinámica, ya que proporciona un aparato para calentar fluidos por inducción eléctrica y radiación solar; y un sistema que comprende a dicho aparato.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Actualmente, las industrias requieren de procesos de secado convectivo para el procesamiento de sus productos, cuyos gastos energéticos son abastecidos principalmente con energía eléctrica; sin embargo, el constante aumento de los precios de la energía eléctrica ha optado por utilizar Energías Renovables (ER). De acuerdo con el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA), la producción más limpia es "la aplicación continua de una estrategia ambiental preventiva integrada a procesos, productos y servicios para incrementar la eficiencia total y reducir los riesgos para el ser humano y el medio ambiente. México es un país que tiene la gran ventaja de contar con incidencia del sol en un rango elevado. Hoy en día existen diferentes aplicaciones de procesos industriales donde se implementa el calentamiento a través de radiación solar con la instalación de colectores solares y es considerada como una de las opciones de energía limpia y renovable; a pesar de ello es difícil de implementar a escala industrial debido a su variabilidad y baja intensidad energética. Los colectores solares presentan dificultad para lograr temperaturas > 80°C con un flujo de aire mínimo de 1 m/s que es la mínima temperatura que se requiere para realizar un proceso de deshidratación; por lo tanto, se buscan soluciones tecnológicas las cuales satisfagan las necesidades de la industria sin dejar de tomar en cuenta las cuestiones ambientales y económicas de la industria alimentaria.

Actualmente se disponen de nuevas tecnologías, que utilizan electricidad en su principio de secado tales como, microondas, radio frecuencia e infrarrojos, las cuales se caracterizan por un menor consumo de energía. El calentamiento por inducción es una tecnología utilizada para múltiples tipos de industria en particular metalúrgica; no obstante, se pueden ímplementar en la industria alimentaria para la deshidratación de alimentos de una forma conjunta con las ER para así abastecer los requerimientos energéticos del proceso de deshidratación, cuidando el medio ambiente y reduciendo costos de operación.

Las nuevas tecnologías de menor consumo como son las energías renovables y el calentamiento por inducción representan una opción viable para adaptarse al proceso de secado convectivo esto debido a que, México se encuentra en su totalidad territorial dentro del llamado "cinturón solar" que es una de las zonas con mayor incidencia solar en el planeta, con radiación superior a 900 w/m ² . Por lo cual, la energía solar térmica es prioridad y porque es una fuente renovable, limpia y de fácil aprovechamiento; además de ser la más económica y rentable de estas energías, es la que más posibilidades de uso presenta a la hora de ahorrar costos en la industria, esto complementado con los sistemas de calentamiento por inducción ya que han demostrado mejor eficiencia en la utilización de procesos comparados con los sistemas de calentamiento por resistencias eléctricas.

El documento de patente US20160069573A1 divulga un calentador de aire solar tubular, el cual incluye un cuerpo principal con ductos internos, formado de un material transparente o semitransparente, preferiblemente de un material de resina sintética transparente o semitransparente para permitir que la luz del sol se transmita a través del mismo, y una entrada para inyectar aire se provee en un lado del mismo. Un tubo de aire caliente se provee para penetrar en una porción interna del cuerpo principal del tubo. El tubo de aire caliente está formado integralmente con el cuerpo principal del tubo, y una superficie posterior del mismo está formada en negro para absorber fácilmente la luz solar. En consecuencia, el aire calentado en el tubo de aire caliente se puede descargar fácilmente al exterior y mantenerse caliente. Como se puede ver, la configuración del tubo, del calentador del documento US20160069573A1, donde se lleva acabo el calentamiento del fluido, no garantiza calentar los fluidos a mayores temperaturas, así como tampoco el hecho de conservarlos calientes.

Por su parte, el documento CN203940632U describe un colector de calor cubierto en su parte superior por una cubierta de vidrio, una placa rejilla colectora de calor; dicho cuerpo colector tiene una entrada de aire y una salida de aire caliente, ambas ubicadas en la parte inferior de colector. Cuando cambia la intensidad de la radiación solar y el ángulo de altitud solar, con una perilla de ajuste, se puede cambiar la posición de la placa rejilla colectora de calor del área del colector y el estado del flujo de aire ambiental del intercambiador de calor y logra una salida del colector de aire con ajuste de energía. Ambos documentos US20160069573A1 y CN203940632U tienen la restricción de no concentrar el calor y conservarlo durante largos periodos de tiempo, así mismos tampoco comprenden de algún módulo eléctrico adicional.

Por lo tanto, debido a los inconvenientes antes mencionados se ha desarrollado un aparato para calentar por inducción y radiación solar, cualquier tipo de fluidos, que tiene una eficiencia > 80°C y un flujo de aire > 1 m/s; y un sistema que utiliza fluidos calientes, el cual comprende al aparato para calentar por inducción y radiación solar, cualquier tipo de fluidos.

Los detalles característicos de la presente invención se demuestran claramente en la siguiente descripción detallada de algunas de sus realizaciones preferidas y figuras que se acompañan, las cuales se incluyen a manera de ejemplos ilustrativos, pero no limitativos para los alcances de la presente invención en donde:

La figura 1 es una vista en perspectiva convencional de una estructura del aparato híbrido para calentar fluidos, de acuerdo con la presente invención.

La figura 2 es una vista en explosiva de los componentes de un contenedor concentrador de calor, que es parte del aparato híbrido para calentar fluidos, en cuestión.

La figura 3 es una vista en perspectiva convencional del contenedor concentrador de calor, donde se observa su paredes y base emparedadas. La figura 4 es una vista en perspectiva convencional del contenedor concentrador calor, del aparato híbrido, en una condición ensamblada.

La figura 5 es una vista en perspectiva del aparato híbrido para calentar fluidos, en cuestión, donde se observa la disposición de una tapa de cristal.

La figura 6 es una vista en perspectiva convencional del aparato híbrido, de la presente invención, en una condición cerrada. La figura 7 es una vista en perspectiva convencional de dicho aparato híbrido, aplicado en un aparato deshidratador de frutas.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

Un objeto de la presente invención es un aparato para calentar fluidos por inducción y/o radiación solar.

Un objeto más de la presente invención es un sistema que utiliza fluidos calientes, para realizar su función o finalidad, el cual comprende a dicho aparato.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Aparato para calentar fluidos por inducción y radiación solar

La presente invención tiene como objeto un aparato para calentar cualquier tipo de fluidos por inducción y radiación solar, tales son: aire, gases, agua, por mencionar algunos ejemplos. Dicho aparato se configura con las siguientes partes: un contenedor concentrador de calor (1) abierto en su parte superior, configurado y elaborado de materiales resistentes a temperaturas de alrededor de 1370 a 1400°C; al menos, una pared divisoria interna (7) divide parcialmente en dos al contenedor concentrador de calor (1); donde dicha pared divisoria interna (7) tiene la misma altura que tiene el contenedor (1), pero una menor longitud, y se fija verticalmente en la parte central del fondo de dicho contenedor (1), pero haciendo contacto perpendicular solamente con una de las paredes verticales del contenedor concentrador de calor (1) para dejar un estrecho libre entre el extremo libre de la pared divisoria (7) y la pared opuesta a la pared que hace contacto dicha pared divisoria (7); de tal manera que se conforman un canal en forma de una "U", por donde circulan los fluidos a calentar; un sistema de calentamiento por inducción electromagnética (12) convencional, el cual se coloca externamente al contenedor concentrador de calor (1); donde sus bobinas helicoidales (13) que circundan a las piezas que calientan, se introducen horizontalmente al interior del contenedor (1) atravesando la pared opuesta a la pared donde hace contacto la pared divisoria (7), quedando cada bobina helicoidal (13) alojada en un canal de circulación de fluidos; un cristal transparente (11) cierra herméticamente la parte superior abierta del contenedor concentrador de calor (1); dicho cristal (11) debe resistir un diferencial de temperatura de 40 a 250°C, por ejemplo, puede ser de vidrio templado; un túnel en forma de una "U" dentro del contenedor concentrador de calor (1), conformado por el canal en forma de "U" tapado por el cristal transparente (11), por donde fluyen los fluidos a calentar; una entrada de fluido a temperatura ambiente (8) conecta a uno de los extremos del túnel en forma de "U" con el exterior, donde dicha en entrada (8) se provee en hacia uno de los extremos de la pared que hace contacto con la pared divisoria (7); un elemento (9) que ayude a la introducción de fluido frío se provee en la entrada (8); donde dicho elemento (9) será de acuerdo al tipo de fluido a calentar, por ejemplo, pueden ser: un ventilador, aspas hidráulicas, bomba de aire, y/o bombas de agua, entre otros; una salida de fluido caliente (10) se provee en el otro extremo del túnel "U", la cual se ubica hacia el otro extremo de la misma pared donde hace contacto la pared divisoria (7); y una estructura (6) configurada para sustentar al contenedor concentrador de calor (1) con todos sus componentes.

Una realización del aparato para calentar fluidos por inducción y radiación solar, de la presente invención es cuando el contenedor concentrador de calor (1) y la pared divisoria (7), están fabricados con paneles que comprenden: una primera placa aislante térmica (3) elaborada de un material aislante, con una conductividad térmica de 0.04 W/(K-m) a 24°C, como por ejemplo fibra de vidrio; una segunda placa aislante térmica (4) adherida en cada cara plana de la primera placa aislante térmica (3), que también es elaborada de un material aislante, con una conductividad térmica de 0.04 W/(K-m) a 24°C, por ejemplo madera MDF; y una placa protectora (5) adherida en cada cara plana del emparedado formado con las placas aislantes térmicas (3 y 4); donde dicha placa protectora (5) es de un material resistente a la corrosión, tiene una temperatura de fusión de alrededor 1370 a 1400°C, por ejemplo, acero galvanizado, acero inoxidable, etc.

Otra realización del aparato en cuestión, es cuando la parte interna del contenedor concentrador de calor (1) es cubierta con un revestimiento de pintura negra para absorber y mantener el calor dentro de dicho contenedor (1).

De esta manera obtenemos un aparato para calentar fluidos por inducción y radiación solar, el cual tiene la capacidad de calentamiento por inducción y capacidad calorífica por radiación solar con una eficiencia de al menos, ³ 80°C y un flujo de aire > 1 m/s, en comparación con los aparatos calentadores de fluidos convencionales.

La presente invención es diferente a la caja del calentador del documento US20160069573A1 citado en los antecedentes por no garantizar calentar los fluidos a mayores temperaturas, ni mucho menos conservarlos calientes, ya que su configuración es simple, de un solo material; mientras que la caja concentradora de calor (1) del aparato de la presente invención está elaborado de paredes multicapas, las cuales funcionan como termo para conservar más tiempo calientes los fluidos.

Ninguno de los documentos US20160069573A1 y CN203940632U divulga o sugiere un aparato calentador de fluidos mediante inducción y/o radiación solar y que esté conformado por: un cuerpo concentrador de calor (1) abierto en su parte superior, el cual se conforma de paredes (2) y una base (2') multi-placas, las cuales a su vez se forman de: una primera placa aislante térmica (3) elaborada de un material aislante, con una conductividad térmica de 0.04 W/(K-m) a 24 °C, por ejemplo fibra de vidrio; una segunda placa aislante térmica (4) adherida en cada cara plana de la primera placa aislante térmica (3), que también es elaborada de un material aislante, con una conductividad térmica de 0.04 W/(K-m) a 24°C, por ejemplo madera (MDF); y una placa protectora (5) adherida en cada cara plana del emparedado formado con las placas aislantes térmicas (3 y 4); donde dicha placa protectora (5) es de un material resistente a la corrosión, tener una temperatura de fusión de alrededor 1370 a 1400°C

Asi tampoco, los calentadores de los documentos US20160069573A1 y CN203940632U, no comprenden un módulo eléctrico de calentamiento por inducción (12), con esto, el aparato de la presente invención coadyuva para calentar fluidos convirtiéndose en híbrido, ya que mientras haya radiación solar aprovechará la energía solar y cuando disminuya o no haya energía solar, entonces entra en función el módulo eléctrico de calentamiento por inducción para mantener la temperatura establecida.

Sistema que utiliza fluidos calientes, para realizar su función o finalidad

La presente invención también tiene como objeto un sistema que utiliza fluidos calientes, para realizar su función o finalidad, el cual comprende: al menos, un aparato para calentar fluidos por inducción y radiación solar, de conformidad con la presente invención; y un medio para transferir el fluido caliente al sistema que requiere de fluidos calientes, dicho medio dependerá del tipo de fluido a transferir.

El sistema que requiere de fluidos calientes puede ser una máquina deshidratadora (14) mediante aire caliente; más específicamente una máquina secadora de frutas y el medio para transferir el aire caliente es una manguera (15).

EJEMPLOS

Los siguientes ejemplos solamente ilustran algunas realizaciones preferidas de la presente invención, por lo que no deben ser considerados como una limitante para los alcances de dicha invención.

Ejemplo 1. Aparato para calentar aire mediante inducción y radiación solar.

Se construyó un aparato para calentar aire, el cual se conformó de un contenedor concentrador de calor (1) abierto en su parte superior, cuyas paredes (2) y base (2') están estructuradas de paneles multi-placas, los cuales a su vez se forman de:

- una placa de fibra de vidrio (3) con una conductividad térmica de 0.04 W/(K-m) a 24°C;

- una placa de madera MDF (4) adherida en cada cara plana de la placa de fibra de vidrio (3), que también tiene una conductividad térmica de 0.04 W/(K-m) a 24°C; y

- una placa de acero galvanizado (5) adherida en cada cara plana del emparedado formado con las placas de fibra de vidrio (3) y la placa de madera MDF (4); para resistir una temperatura de fusión de alrededor 1370 a 1400°C. También se construyó una estructura metálica (6) configurada para sustentar a las paredes (2) y base (2'), para conformar al contenedor concentrador de calor (1), como la que se ilustra en las figuras 1 a 4.

Dentro y en la parte central de la base (2') del contenedor (1) se fijó verticalmente una pared interna (7) configurada de la misma manera que están configuradas las paredes (2). Esta pared interna (7) se adhiere verticalmente sobre la base (2') y con la pared donde están los medios de acceso y/o salida de los fluidos, por lo que esta pared interna (7) no hace contacto con la pared opuesta a la pared de acceso y/o salida de los fluidos; de tal manera que se formó un canal en forma de una "U" para la circulación del aire; en la parte del canal donde entra el aire se proveyó de una abertura (8) en la pared de acceso de fluidos, donde además se colocó un ventilador (9) para la introducción de aire ambiental; y se proveyó de una segunda perforación (10) donde salen los fluidos calientes.

Las caras internas del contenedor concentrador de calor (1) se les revistió de pintura negra para absorber y mantener el calor.

Una placa de vidrio templado (11) cerró herméticamente la parte superior abierta del contenedor (1). Esta placa de cristal (11) debe permitir que la radiación solar atraviese y al mismo tiempo disminuir la perdida de calor hacia el ambiente; por lo que debe resistir un diferencial de temperatura de 40 a 250°C.

Un sistema de calentamiento por inducción electromagnética (12) convencional, ese colocó externamente del contenedor (1) cual se coloca externamente en el contenedor concentrador de calor (1); y sus bobinas helicoidales (13) que circundan a la pieza a calentar, se introducen horizontalmente al interior del contenedor (1) atravesando la pared opuesta a la pared de acceso, quedando cada bobina helicoidal (13) con su respectiva pieza a calentar dispuesta en el canal formado por la pared divisoria (7). Se observó que de esta manera, dicho aparato en cuestión, coadyuva para calentar el aire, ya que mientras hubo radiación solar aprovechó la energía solar y cuando disminuyó o no hubo energía solar, entonces entró en función el sistema de calentamiento por inducción electromagnética (12) para mantener la temperatura establecida. Ejemplo 2. Aplicación del aparato para calentar aire mediante inducción y radiación solar, en una máquina deshidratadora de frutas.

El aparato para calentar fluidos construido en el ejemplo 1, tuvo la ventaja de generar una mayor concentración de temperatura, por lo que redujo la superficie y el consumo de energía eléctrica utilizada, cuando se usó en un proceso de secado convectivo de frutas. En la figura 7 se ilustra una de las aplicaciones del aparato en cuestión, en una máquina deshidratadora de frutas (14), donde se usó una manguera (15) para conducir el aire caliente al interior de la máquina deshidratadora (14).