DISEÑO DE UNA COCINA HÍBRIDA (ELÉCTRICA Y A GAS) PARA EL SECTOR SIMÓN BOLÍVAR I EN EL MUNICIPIO SIMÓN RODRÍGUEZ, ESTADO ANZOÁTEGUI
EQUIPO INVESTIGADOR: MICHEL LEON C.I. 26.124.604 ALEXANDER ORTÍZ CI: 26.605.558 ANTHONY CARRASQUEL C.I. 26.695.079 JULIANO PROIA CI: 26.479.500
El Tigre, abril de 2017 1
DISEÑO DE UNA COCINA HÍBRIDA (ELÉCTRICA Y A GAS) PARA EL SECTOR SIMÓN BOLÍVAR I EN EL MUNICIPIO SIMÓN RODRÍGUEZ, ESTADO ANZOÁTEGUI
EQUIPO INVESTIGADOR: MICHEL LEON C.I. 26.124.604 ALEXANDER ORTÍZ CI: 26.605.558 ANTHONY CARRASQUEL C.I. 26.695.079 JULIANO PROIA CI: 26.479.500
Tutor: SIMÓN PABIQUE C.I.: 18.512.680
ASESOR: ERNESTO VAQUERO C.I.: 13.497.951
El Tigre, abril de 2017 2 ii
FASE I DIAGNÓSTICO
Exploración inicial
El equipo investigador decidió acudir al sector Simón Bolívar I de la ciudad de El Tigre municipio Simón Rodríguez. El abordaje a dicha comunidad se inició en la casa comunal principal del sector donde la vocera del consejo la señora Aiza Alfonzo nos facilitó toda la información necesaria para el inicio del proyecto. Este sector cuenta con todos los servicios públicos. Posee también 4 casas de consejos comunales estructuradas y organizadas según la ley, lo componen un conjunto de personas que habitan en el sector. Tiene una buena actividad económica ya que su localización es cercana a una avenida y debido a esto hay una cantidad considerable de comercios a lo largo del sector. Reseña Histórica El sector simón Bolívar I se fundó el 17 de diciembre de 1964. Los fundadores fueron las familias Blanco, Guzmán, Velázquez, Galindo y Aguilera. En el año 2008 bajo el mandato del alcalde Ernesto Paraqueima se realizaron varias obras públicas en este sector, entre los avances más importantes que sufrió están: el asfaltado del 70% de las calles, la construcción e inauguración de un centro hospitalario CDI y un centro de educación primaria. A medida que el sector evolucionaba su población comenzó a aumentar gradualmente hasta llegar a ser uno de los sectores más poblados del municipio.
3
Dimensiones y Potencialidades
En esta fase se va a presentar las dimensiones y potencialidades del sector dando como resultado estadísticas sobre la comunidad seleccionada.
Dimensiones Físico-espaciales En esta sección se muestran característicos del sector como la vialidad los límites del sector y la ubicación de este.
El sector Simón Bolívar I está ubicado en el noreste de la ciudad de El Tigre municipio Simón Rodríguez, parroquia Don Edmundo Barrios. Los límites de este sector son los siguientes:
Norte con la carretera negra de la Flint,
Sur con la calle del ejército,
Este con la calle colon,
Oeste con la vía de los yopales.
La vialidad de la comunidad se encuentra en buen estado. El sector cuenta con 30 calles en total y estas calles están en un 70% asfaltada.
4
En la siguiente gráfica se puede apreciar la cantidad de edificios y casas del sector.
Ranchos; 300 Other; 18
Quintas; 15
Casas; 1,700 Escuelas; 3
Gráfica N° 1. Infraestructura del sector Simón Bolívar I. Fuente: Aiza Alfonzo (2015).
Servicios públicos La comunidad cuenta con todos los servicios públicos: aseo una vez por semana, aguas blancas, trasporte público, alumbrado, telefonía, servicio eléctrico, red de cloacas, venta de bombonas de gas. Zonas de riesgo Esta comunidad posee una zona de riesgo como lo es una planta de gas directo que surte a la comunidad y al sector de la charneca.
Espacios públicos El sector cuenta con una cancha de baloncesto.
Dimensiones Demográficas
En la siguiente gráfica se puede apreciar la distribución de la población por edades.
5
Niños; 5,000 Other; 2800
AdultosJovenes; 2800
Ancianos; 4,000
Gráfica N° 2. Distribución de la población del sector Simón Bolívar I. Fuente: Aiza Alfonzo (2015).
En la siguiente gráfica se puede apreciar el nivel de formación de los habitantes del sector. Maestros; 200
Ingenieros; 40 TSU; 850 Other; 190
Primaria; 5000
Enfermeros; 150
Bachilleres; 1800
Gráfica N° 3. Nivel de formación de los habitantes del sector Simón Bolívar I. Fuente: Aiza Alfonzo (2015).
Dimensiones Políticas Existen cuatro consejos comunales estructurados (norte, sur, este y oeste) el equipo investigador trabajo con el consejo del norte. El cual cuenta con los siguientes comités:
6
• Unidad financiera • Comité de alimentación • Comité protección niño, niña y adolescentes • Unidad contraloría • Comité de economía comunal • Comité mesa técnica de agua • Comité educación y cultura • Comité salud • Comité tierras urbanas, hábitat y vivienda
El sector no tiene casas de partido pero si consta de una UBCH. También poseen un centro de votación que es la casa de la señora Rosalía Campiña de Herrera.
Dimensiones Económicas
En la siguiente tabla se presentan los comercios que destacan a lo largo del sector. Tabla Nro. 1: Comercios del sector.
Bodegas: 15
Escuelas: 3
Comida rápida : 8
Licorerías: 1
Carpinterías: 2
Barberías: 1
Venta de aceites: 1
Bloquearías : 1
Auto-repuestos: 1
Auto lavado:1
Taller mecánico : 8
Ciber: 5
Agencias de lotería :10
Caucheras: 1
Fuente: Sulma Azocar, Zuleima León (2016).
Dimensiones Culturales
A continuación se señalan los días festivos celebrados por la comunidad. Días festivos: 1 Enero: Año Nuevo
7
(Variable). Febrero: Carnaval (Variable): Marzo: Semana Santa 19 Abril: Declaración de la Independencia 1 Mayo: Día del Trabajo 24 Junio: Batalla de Carabobo 5 Julio: Día de la Independencia 24 Julio: Natalicio de Simón Bolívar 12 Octubre: Día de la Resistencia Indígena 24 Diciembre: Víspera de Navidad 25 Diciembre: Navidad 31 Diciembre: Fiesta de Fin de Año
Dimensiones Ambientales
En la comunidad tienen varias fuentes de contaminación, según la fuente informativa son los talleres mecánicos ya que no tienen un almacenamiento adecuado de la gasolina y aceite. Esto afecta el lugar donde se encuentra el mismo. Cloacas desbordadas: debido al mal funcionamiento de las cloacas las calles producen malos olores.
Dimensiones Potenciales
No cuenta con espacios como áreas para sembrar o lugares turísticos que puedan aprovecharse para la explotación potencial de la comunidad.
Potencial humano: Las personas de este sector tienen los siguientes oficios:
8
Herrero,
Latonero,
Costurero,
Albañil,
Plomero,
Mecánico,
Carpintero,
Electricista, Soldador, Vigilante, Abogado, enfermeros, Maestro, comerciantes ilegales, choferes, ingenieros.
Diagnóstico Integral
En el diagnóstico integral se presentan los problemas que posee actualmente la comunidad, que es el lugar donde el equipo decidió hacer la investigación.
Problemas de la comunidad: Falta de alumbrado público: No hay bombillos suficientes en los postes de luz. Cloacas desbordadas: debido al mal funcionamiento de las cloacas las calles proliferando malos olores. Falta de asfaltado: el 30% de las calles son de tierra lo cual causa daños a los vehículos que puedan transitar en esas zonas. Insuficiencia de bombonas de gas: debido a la gran demanda de este servicio este es muy difícil satisfacer la necesidad de todos los habitantes. Malas conexiones eléctricas en los postes: debido al poco mantenimiento y las conexiones hechas por los mismos habitantes el sistema eléctrico en general es poco eficaz.
Herramientas para la Priorización del Problema
Los sistemas utilizados para puntualizar los problemas de la comunidad fueron: Recorrido por la comunidad: el equipo investigador realizó una ruta por las principales calles del sector identificando las problemáticas más evidentes.
9
Entrevistas a informantes claves: el grupo de investigación realizó una entrevista libre para recolectar información con el fin de conocer los diferentes puntos de vistas y las opiniones que tenían los moradores de la zona en cuanto a los problemas que existen en la comunidad. Matriz de decisión para la priorización de problemas: se diseñó un cuadro donde se califican los problemas que más afectan a la comunidad según los criterios establecidos a continuación.
Criterios para la Priorización del Problema
Las pautas establecidas para calificar los problemas son: A. Importancia que tiene el problema: Su relevancia para el sector y para el equipo investigador. B. Posibilidad de que los habitantes de la zona participen en la solución del problema: la posibilidad de que el personal directivo al igual que los niños participen en esta solución. C. Posibilidad de abordar el problema desde la ingeniería mecánica: Esto significa que el problema pueda ser atendido desde la perspectiva mecánica. D. Posibilidad de resolver el problema con éxito: Se refiere a la posibilidad de solucionar el problema totalmente. E. Costo a largo plazo: El costo que ocasionaría solucionar el problema seleccionado.
Escala para la Priorización del Problema
En la siguiente escala se aprecian los valores numéricos que se utilizaran para puntuar los problemas.
10
Tabla Nro. 2: Escala para la priorización del problema.
1
No es importante
2
Poco importante
3
Importante
4
Muy importante
Fuente: Equipo investigador (2016).
En la siguiente hoja se presenta la matriz para la priorización del problema, donde se selecciona el problema de mayor relevancia en base a la escala de puntuación ya observada.
11
Tabla Nro. 3. Matriz de Decisión para la Priorización de Problemas.
Criterio A
Criterio B
Criterio C
Criterio D
Criterio E
Suma
´ No hay bombillos suficientes en los postes de luz
3
2
1
2
3
11
55%
Insuficiencia de bombonas
El servicio no es suficiente para todos.
3
3
4
4
2
16
80%
Cloacas desbordadas
Mal funcionamiento
4
2
3
3
2
14
70%
30% de las calles en mal estado
3
3
1
2
1
10
50%
El sistema eléctrico general es poco eficaz
4
2
3
3
2
14
70%
Problema Falta de alumbrado público
Falta de asfaltado Malas conexiones eléctricas de los postes
Descripción
Fuente: Equipo investigador (2016).
12
Dpp
Selección del Problema
Luego de haber estudiado los resultados de la matriz se determinó que el problema con mayor porcentaje ha sido el número dos: la Insuficiencia de bombonas: Fue escogido por el valor que arrojo y por ser de gran importancia para los miembros de la comunidad.
13
FASE II EL PROBLEMA
Planteamiento del problema
El sector Simón Bolívar I presenta una falla grave en la distribución del gas que da como resultado largas colas para tratar de obtener este beneficio lo cual no es seguro ya que solo se distribuyen 20 bombonas medianas y 100 bombonas pequeñas, lo cual no cubre ni un 50% de la población. Por ende los habitantes sufren de un déficit de alimentación, por este problema se busca dar una opción alterna al uso del gas implementando como vía alternativa la electricidad, con este sistema los habitantes dispondrían de más tiempo para acceder a las bombonas de gas. En el presente proyecto el equipo investigador plantea el diseño de una cocina híbrida eléctrica y a gas a través de la ingeniería mecánica donde se aplicarán los conocimientos matemáticos y de dibujo para la elaboración de planos y cálculos requeridos para el correcto funcionamiento de dicho artefacto, así la comunidad tendrá un modelo de una cocina alternativo.
Objetivos del proyecto
A continuación se mostrarán el objetivo general y los objetivos específicos planteados.
Objetivo General Diseñar una cocina híbrida de gas y electricidad para el sector Simón Bolívar I, Municipio Simón Rodríguez.
14
Objetivos específicos
1. Estudiar las partes del sistema de conexión a gas y el sistema de conexión eléctrico. 2. Realizar un diagnóstico sobre fallas de las cocinas hibridas. 3. Definir los materiales de fabricación en el diseño de la cocina. 4. Elaborar los cálculos de fabricación para el diseño de la cocina. 5. Realizar los planos de diseño de la cocina.
Justificación
Se planteó un modelo de una cocina híbrida de gas y electricidad para el sector Simón Bolívar I ya que teniendo estos dos recursos incorporados, mejorarán el rendimiento de procesamiento de los alimentos. Los habitantes podrán ahorrarse la molestia de ir a comprar una bombona ya que en todo caso puede usar electricidad. Y con esto se cumple el objetivo del Plan de la Patria N° 1.5.1.6. Que habla de fomentar la consolidación de los espacios de participación popular en la gestión pública de las áreas temáticas y territoriales relacionadas con la ciencia, la tecnología y la innovación.
Alcances
La implementación de este proyecto dará como resultados la lista materiales de fabricación, la entrega de planos y los cálculos de diseño de una cocina híbrida eléctrica y a gas para el sector Simón Bolívar I los cuales posteriormente en un tiempo de un año aproximadamente podrán ser implementados para la construcción real de la cocina en la comunidad.
Limitaciones
El proyecto no presentó ningún tipo de limitaciones. 15
FASE III MARCO TEÓRICO
Antecedentes
Diseño y construcción de cocina solar como alternativa energética, año 2013, proyecto realizado por Bracho y otros en la ciudad de San Francisco Edo. Zulia, dicho proyecto tuvo como objetivo general diseño y construcción de una cocina solar como alternativa energética, su investigación fue de tipo transversal con un método descriptivo experimental, ya que todos los datos suministrados fueron recolectados en un momento único, sus conclusiones más importantes fueron que la tecnología de la cocina solar, por su simplicidad de uso y su económica fabricación, es muy adecuada para poblaciones con escasos o nulos recursos económicos y por tanto energéticos, siempre que se trate de zonas geográficas con un alto índice de insolación, el aprovechamiento de los recursos naturales o recursos alternos, La conclusión final, es que aunque la cocina solar, a pesar de ser una buena tecnología, junto con otras alternativas, en zonas poco favorecidas del mundo, su importancia en nuestra sociedad industrializada del bienestar, no viene dada por su posible eficiencia, sino en su uso como herramienta divulgativa, ya que ninguna otra tecnología, muestra con tanta claridad e inmediatez, el poder energético del sol. Este proyecto fue tomado como referencia bibliográfica por su información acerca de cocinas con sistemas alternos de funcionamiento.
La empresa THETFORD el 2 de septiembre de 2015 presento la serie Topline 98 de cocinas hibridas eléctrica y a gas que combina una cocina de inducción eléctrica y gas. Ofrece la combinación de una placa de inducción y dos quemadores de gas en una base de dos modelos diferentes de cristal negro Schott Ceran.
16
Figura N°1 Cocina Topline 98 Modelo 1. Fuente: Thetford Company (2015).
Figura N°2 Cocina Topline 98 Modelo 2. Fuente: Thetford Company (2015).
González y otros (2016), desarrollaron un estudio denominado “Diseño de horno eléctrico para el secado de pasto”, realizado en la ciudad de El Tigre Edo. Anzoátegui. Su principal objetivo fue diseñar un horno eléctrico para el secado de pasto, fue hecho en respuesta a la deficiencia de dicho artefacto en la comunidad descrita por el equipo investigador. Su investigación fue realizada bajo técnicas de tipo documental y de campo, ya que parte de sus datos fueron recuperados de internet y sus antecedentes correspondientes e investigaciones fue directamente recopilado en el área de trabajo. Su investigación tuvo como conclusiones: Conocer las variables más importantes que influyen en el proceso de secado, definir los parámetros para el secado, y lograr seleccionar los materiales para la construcción del horno y por último los cálculos necesarios de conocimiento previo para determinar el funcionamiento adecuado del horno. Este proyecto fue tomado en cuenta por la similitud en los cálculos de diseño en el sistema de cocina eléctrica
Fundamentación Teórica
Teoría de los circuitos
Es aquella que comprende los fundamentos para el análisis de circuitos eléctricos y permite determinar los niveles de tensión y corriente en cada punto del circuito en respuesta a una determinada excitación.
17
Ley de Ohm
Postulada por el físico y matemático alemán Georg Simón Ohm, es una ley de la electricidad. Establece que la diferencia de potencial
que aparece entre los
extremos de un conductor determinado es proporcional a la intensidad de la corriente
que circula por el citado conductor. Ohm completó la ley introduciendo
la noción de resistencia eléctrica en la relación entre
; que es el factor de proporcionalidad que aparece
e :
Efecto Joule Se conoce como efecto Joule al fenómeno irreversible por el cual 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. El nombre es en honor a su descubridor, el físico británico James Prescott Joule. El movimiento de los electrones en un cable es desordenado, esto provoca continuas colisiones con los núcleos atómicos y como consecuencia una pérdida de energía cinética y un aumento de la temperatura en el propio cable.
Figura Nro.3. Efecto Joule. Fuente: wordpress.com (2013)
18
Leyes de Kirchhoff a) Ley de nodos o ley de corrientes En todo nodo, donde la densidad de la carga no varíe en un instante de tiempo, la suma de corrientes entrantes es igual a la suma de corrientes salientes. Dicho de otra forma la suma de corrientes que entran a un nodo es igual a la suma de las corrientes que salen del nodo. De forma equivalente, la suma de todas las corrientes que pasan por el nodo es igual a cero.
Figura Nro. 4. Ley de nodos. Fuente: electronicacompleta.com (2009).
b) Ley de mallas o ley de voltajes En toda malla la suma de todas las caídas de tensión es igual a la suma de todas las subidas de tensión. Dicho de otra forma el voltaje aplicado a un circuito cerrado es igual a la suma de las caídas de voltaje en este circuito.
Figura Nro. 5. Ley de mallas. Fuente: Wikipedia.com (2015).
19
Cocina eléctrica La base sobre la que se funda la cocina eléctrica está ligada al invento de las estufas eléctricas. En 1892, una década después de que Edison diera a conocer la lámpara incandescente, los inventores británicos R. E. Crompton y J. H. Dowsing patentaron la primera estufa eléctrica para uso doméstico. El nuevo aparato consistía en un alambre de alta resistencia enrollado varias veces alrededor de una placa rectangular de hierro. El alambre, que al conducir la electricidad adquiría un brillo blanco anaranjado, estaba situado en el centro de una pantalla parabólica que concentraba y difundía el calor en un haz. No tardaron en aparecer modelos perfeccionados de estufas eléctricas, y dos de los más notables fueron el de 1906, debido al inventor Albert Marsh, de Illinois (EE. UU.), cuyo elemento radiante, de níquel y cromo, podía alcanzar temperaturas al rojo blanco sin fundirse; y la estufa británica de 1912, que sustituyó la pesada placa de hierro en la que se enrollaba el alambre calefactor por un elemento ligero de arcilla refractaria, con lo que se consiguió la primera estufa eléctrica portátil realmente eficaz. Cocina a gas Uno de los tipos de cocina moderno es el que funciona con gas (natural, propano, butano...). Los fogones tienen un inyector (que es precisamente el dispositivo que sirve para adaptar la cocina de un tipo de gas a otro), que deja salir el gas en una cavidad donde se mezcla con el aire necesario para la combustión. La mezcla aire-gas sale por los orificios del quemador donde arde. La potencia del fogón se regula modificando el caudal mediante un mando que mueve la llave de paso de gas. Los fogones suelen ser de forma redonda y tamaños variados, siendo los más grandes más potentes. Hay cocinas con 2, 3 o más fogones, algunos de ellos especiales para usos determinados, de forma alargada. Normalmente se encienden con una fuente externa como cerillas o un encendedor. También con una chispa eléctrica con un mecanismo incorporado en la 20
propia cocina, aunque puede ser difícil hacerlo cuando se usa gas natural, debido a que tiene una temperatura de ignición mayor que los otros gases y las chispas no siempre la alcanzan. Estas cocinas pueden tener un horno también a gas, que tiene quemadores lineales en la parte inferior (horno) y superior (para tostados o gratinados).
Fundamentación Legal
A continuación se presentan aquellas leyes que sustentan y justifican la realización de este proyecto.
Ley Orgánica de ciencia Tecnología e innovación “Artículo 2. Las actividades científicas, tecnológicas, de innovación y sus aplicaciones son de interés público y de interés general.” En esta investigación se cumple el artículo 2, debido a que es de interés público la innovación a realizar.
Del ámbito de acción:
Artículo 4. De acuerdo con esta Ley, las acciones en materia de ciencia, tecnología, innovación y sus aplicaciones, estarán dirigidas a: 1. Formular, promover y evaluar planes nacionales que en materia de ciencia, tecnología, innovación y sus aplicaciones, se diseñen para el corto, mediano y largo plazo. 2. Estimular y promover los programas de formación necesarios para el desarrollo científico y tecnológico del país. 3. Establecer programas de incentivos a la actividad de investigación y desarrollo y a la innovación tecnológica.
21
La innovación de esta investigación está propuesta para el cumplimiento a corto plazo pero con metas a largo plazo cumpliendo con las acciones en materia de ciencia, aplicando la mecánica e investigando e indagando en la innovación tecnológica. Artículo 5. Las actividades de ciencia, tecnología, innovación y sus aplicaciones, así como, la utilización de los resultados, deben estar encaminadas a contribuir con el bienestar de la humanidad, la reducción de la pobreza, el respeto a la dignidad, a los derechos humanos y la preservación del ambiente. La aplicación de la ciencia y tecnología utilizada para obtener los resultados en esta investigación cumple con el bienestar de la humanidad y la reducción o ayuda a la pobreza, permitiendo de manera directa actuar en consecuencia de una problemática específica.
Definición de Términos Básicos
Circuito: Un circuito es una red eléctrica (interconexión de dos o más componentes, tales como resistencias, inductores, condensadores, fuentes, interruptores y semiconductores) que contiene al menos una trayectoria cerrada.
Cocina: Una cocina es un artefacto para elaborar alimentos que puede funcionar mediante diversos combustibles o por electricidad.
Electricidad: Forma de energía que produce efectos luminosos, mecánicos, caloríficos, químicos, etc., y que se debe a la separación o movimiento de los electrones que forman los átomos.
Fusible: Componente eléctrico hecho de un material conductor, generalmente estaño, que tiene un punto de fusión muy bajo y se coloca en un punto del circuito eléctrico para interrumpir la corriente cuando esta es excesiva.
22
Gas: Es el estado de agregación de la materia en el cual, bajo ciertas condiciones de temperatura y presión, sus moléculas interaccionan solo débilmente entre sí, sin formar enlaces moleculares, adoptando la forma y el volumen del recipiente que las contiene y tendiendo a separarse, esto es, expandirse, todo lo posible por su alta energía cinética.
Gas butano: El butano, también llamado n-butano, es un hidrocarburo saturado, parafínico o alifático, inflamable y gaseoso.
Gas propano: El propano es un gas incoloro, inodoro e inflamable. Pertenece a los hidrocarburos alifáticos con enlaces simples de carbono, conocidos como alcanos. Su fórmula química es C3H8.+
Gas natural: Es una mezcla de hidrocarburos gaseosos ligeros que se extrae, bien sea de yacimientos independientes, o junto a yacimientos petrolíferos o de carbón
Híbrido: Se refiere a mezcla o unión de dos o más cosas en una sola.
Hornilla: Hueco hecho en las cocinas de carbón y leña con una rejuela horizontal para sostener la lumbre y un respiradero inferior para dar entrada al aire.
Resistencia Eléctrica: Se le denomina resistencia eléctrica a la igualdad de oposición que tienen los electrones al moverse a través de un conductor.
Sistema cableado: Por sistema cableado se entiende todo circuito eléctrico que exige el montaje de distintos módulos unidos entre sí, para realizar un determinado proceso o secuencia lógica, que por lo general servirá para controlar un sistema de potencia.
Termostato: Es dispositivo que, conectado a una fuente de calor, sirve para regular la temperatura de manera automática, impidiendo que suba o baje del grado adecuado.
Temporizador: Un temporizador o minutero es un dispositivo, con frecuencia programable, que permite medir el tiempo.
23
FASE IV MARCO METODOLÓGICO
Tipo de Investigación La presente investigación es de tipo Aplicada Tecnológica.
La investigación aplicada tecnológica es una modalidad de la investigación científica y se entendería como aquella que genera conocimientos o métodos dirigidos al sector productivo de bienes y servicios, ya sea con el fin de mejorarlo y hacerlo más eficiente, o con el fin de obtener productos nuevos y competitivos en dicho sector. Castro (2010). Este proyecto fue realizado bajo esta metodología ya que el diseño de la cocina hibrida está bajo los caracteres establecidos y aplica directamente en el sector de producción de bienes.
Diseño de investigación “El diseño de investigación representa la estrategia que emplea el investigador para dar respuestas al problema en estudio.” Hernández y otros (2003). El diseño de investigación utilizado ha sido el diseño documental o bibliográfico. Según Hernández y otros (2003), el diseño documental o bibliográfico consiste en la “revisión de documentos, materiales impresos o localizados por Internet, los cuales sirven de sustento teórico para el tema que se pretende estudiar.”
24
Población y muestra Población
“Se refiere a la unidad de estudio o población como el contexto, el ser o entidad poseedor de la característica, evento, cualidad o variable que se desea estudiar.” Hurtado (2006), Existen diferentes tipos de cocinas, en esta investigación se ha considerado como población tres principales:
Cocinas a gas. Cocinas eléctricas. Cocinas de Vitrocerámicas.
Muestra Hurtado (2006), define la muestra como “una porción de la población que se toma para realizar el estudio, la cual debe ser representativa”. Esta autora considera que una investigación puede llevarse a cabo con la población sin seleccionar la muestra. La muestra tomada ha sido:
Cocina a gas. Cocina eléctrica.
Técnicas e instrumentos de recolección de datos A lo largo de la investigación se han utilizados las siguientes técnicas de recolección de datos.
25
Entrevista: Es la comunicación establecida entre el investigador y el sujeto de estudio a fin de obtener respuestas verbales a las interrogantes planteadas sobre el problema propuesto. Instrumento de recolección de datos: Guía de entrevista Encuesta: Este método consiste en obtener información de los sujetos de estudio, proporcionada por ellos mismos, sobre opiniones, actitud eso sugerencias.
Instrumentos de recolección de datos: Cuestionario
Planificación Integral de Objetivos En esta sección se señalan las metodologías, actividades y resultados asociados a cada uno de los objetivos específicos establecidos en la Fase II de la investigación, con el propósito de establecer un plan de acción que garantice un desarrollo efectivo de los mismos. A continuación se presenta la Matriz PIO (Planificación Integral de Objetivos), donde se observará las actividades a realizar de cada objetivo.
26
Tabla N° 04. Planificación Integral de Objetivos.
Objetivo General: Diseño de una cocina híbrida de gas y electricidad para el sector Simón Bolívar I Municipio Simón Rodríguez.
Objetivos específicos 1. Estudiar las partes del sistema de conexión a gas y el sistema de conexión eléctrico. 2. Realizar un diagnóstico sobre fallas de las cocinas hibridas.
3. Definir los materiales de fabricación en el diseño de la cocina.
4. Elaborar los cálculos de fabricación para el diseño de la cocina.
Metodología Revisión Documental
Revisión Documental y Análisis de Caso
Revisión Documental y Matriz de Comparación
Estudios técnicas cálculo matemático
Actividades
Producto
1. Identificar los elementos que componen las cocinas de gas y las cocinas de electricidad. 2. Desarrollar las investigaciones de cada elemento.
Información detallada sobre todas las partes del sistema eléctrico y el sistema a gas.
1. Investigar el funcionamiento individual los dos tipos de Posibles fallas que cocina. puede presentar la 2. Analizar los resultados de la cocina. investigación para determinar todas las posibles fallas de la cocina 1. Estudiar posibles modelos de cocinas que sirvan de ejemplo a seguir. 2. Definir las características de cada material. 3. Seleccionar los materiales más usados en los modelos ya estudiados.
Lista de materiales a ser usados en el diseño de la cocina hibrida.
y 1. Calcular el consumo de de energía del sistema eléctrico. Cálculos 2. Desarrollar todo el fabricación funcionamiento del sistema a gas.
5. Realizar los Técnicas y planos de diseño herramientas de la cocina. computarizadas de diseño
de
1. Estudiar las dimensiones espaciales de la cocina. Planos de la cocina 2. Aplicar conocimientos hibrida informáticos y de dibujo técnico para la elaboración de los planos.
Fuente: Astudillo (2012)
27
FASE V DESARROLLO INTEGRAL DE OBJETIVOS
Objetivo N° 1: Estudiar las partes del sistema de conexión a gas y el sistema de conexión eléctrico. Actividad N°1: Identificar los elementos que componen las cocinas de gas y las cocinas de electricidad. Se investigó en internet todos los elementos de la cocina: Sistema Eléctrico:
Sistema a Gas:
*Termostato
*Línea de Gas
*Fusible
*Sistema de control
*Perillas de control
*Hornillas
*Resistencia
*Sistema de encendido
Actividad N°2: Desarrollar las investigaciones de cada elemento. Se investigó el funcionamiento de los elementos más importantes de las cocinas en internet.
28
Tabla Nro. 5: Elementos de la cocina
EN EL SISTEMA ELÉCTRICO
EN EL SISTEMA A GAS
Termostato: es el componente de un sistema de control simple que abre o cierra un circuito eléctrico en función de la temperatura.
Línea de gas: es una conducción de tuberías especiales que sirven para transportar y conducir el gas combustible desde la bombona o la fuente de gas hasta las hornillas de cocina. Hornilla: está compuesta por tres partes: la tapa, el encendedor y el quemador. La tapa se asienta en la parte superior del conjunto de quemador forzando a que la llama se desplace alrededor de la tapa, el quemador es una placa de metal simple y el encendedor consiste en el electrodo y su cableado que genera la chispa de encendido.
Fusible: es un dispositivo, constituido por un soporte adecuado, un filamento de una aleación de bajo punto de fusión que se intercala en un punto determinado de una instalación eléctrica para que se funda por Efecto Joule, cuando la intensidad de corriente supere por cualquier motivo un determinado valor que pudiera hacer peligrar la integridad de los conductores de la instalación. Resistencia: Se le denomina resistencia eléctrica a la igualdad de oposición que tienen los electrones al moverse a través de un conductor.
Perillas de control: Permiten ajustar la temperatura de la hornilla y la activación de cada uno de los quemadores del rango de forma individual.
Sistema de encendido: Un tubo corto y estrecho llamado tubo Venturi se sitúa entre la válvula y el quemador para mezclar el gas con el oxígeno para la combustión, esta mezcla se enciende mediante un encendedor de chispa el cual consta de un transformador de clavija y chispa que enciende la mezcla. Sistema de control: permite ajustar la altura de la llama y su encendido, mediante perillas que abren o cierran el flujo del gas.
Fuente: Los Autores (2016)
29
Objetivo N° 2: Realizar un diagnóstico sobre fallas de las cocinas hibridas. Actividad N°1: Investigar el funcionamiento individual de los dos tipos de cocina. Sistema a gas: Las cocinas o estufas de gas utilizan el gas natural como combustible para generar calor. Éstas difieren de los hornos eléctricos que utilizan electricidad para crear calor. En las cocinas de gas se necesita canalizar el gas dentro de las hornillas, encenderlo y luego dirigir el calor hacia las áreas adecuadas del mismo, lo que hace que las cocinas de gas sean un poco más complicados que los eléctricos. Sistema eléctrico: La cocinas eléctricas es la principal alternativa a la de gas convencional. Ofrecen una forma de uso de electricidad para producir calor. Las cocinas eléctricas utilizan varias partes que proporcionan calor limpio y consistente para cocinar. Actividad N°2: Analizar los resultados de la investigación para determinar todas las posibles fallas de la cocina. Luego de haber investigado los componentes y el modo de funcionamiento de cada cocina se llegó a la conclusión que el índice de fallas es muy bajo, es decir, que las posibilidades de que se presente una falla en ambos sistemas es muy poco probable, aunque por la complejidad un poco mayor del sistema eléctrico y por el uso de más componentes es un poco más probable que falle este tipo de cocina en función de un corto circuito, pero en general las fallas serán muy poco probables. Objetivo N°3: Definir los materiales de fabricación en el diseño de la cocina. Actividad N°1: Estudiar posibles modelos de cocinas que sirvan de ejemplo a seguir. Los modelos de cocina hibridas investigados son los siguientes: THETFORD serie Topline 98 de cocinas hibridas eléctrica y a gas que combina una cocina de inducción eléctrica y gas. Ofrece la combinación de una placa de inducción y dos quemadores de gas en una base de dos modelos diferentes de cristal
30
negro. Estas dos cocinas hibridas poseen características que las hacen ideales para servir de base para el modelo que posteriormente se va a realizar. Actividad N°2: Definir las características de cada material. En esta actividad se lograron hacer las investigaciones pertinentes sobre los materiales que va a utilizar la cocina hibrida, entre los cuales podemos resaltar los siguientes junto con una breve explicación del porque se van a utilizar. Tabla Nro. 6: Materiales para la carcasa
Posibles materiales a ser usados para la carcasa Aluminio
Acero
Hierro
Este metal posee una combinación de varias propiedades que lo hacen muy útil en ingeniería de materiales, tales como su baja densidad y su alta resistencia a la corrosión. Se mecaniza con facilidad y es muy barato.
Aleación de hierro con pequeñas cantidades de carbono y que adquiere con el temple gran dureza y elasticidad. Posee alta resistencia a la corrosión y es uno de los materiales más usados para este tipo de construcciones.
Es un metal maleable, de color gris plateado el cual es ferromagnético a temperatura ambiente y a presión atmosférica. Es extremadamente duro, denso y posee una alta resistencia al calor. Es muy utilizado para estas estructuras.
Fuente: Los Autores (2017) Tabla Nro. 7: Materiales para las hornillas y estufas
Posibles materiales a ser usados para las hornillas y estufas Aluminio
Cobre
Hierro
Este metal posee una combinación de varias propiedades que lo hacen muy útil en ingeniería de materiales, tales como su baja densidad y su alta resistencia a la corrosión. Se mecaniza con facilidad y es muy barato.
Es el segundo elemento con mayor conductividad eléctrica y térmica del mundo lo que facilita la transmisión rápida del calor. Es resistente a la corrosión, a la oxidación y posee también una buena maquinabilidad
Es un metal maleable, de color gris plateado el cual es ferromagnético a temperatura ambiente y a presión atmosférica. Es extremadamente duro, denso y posee una alta resistencia al calor. Es muy utilizado para estas estructuras.
Fuente: Los Autores (2017)
31
Actividad N°3: Seleccionar los materiales más usados en los modelos ya estudiados. Los materiales utilizados para la elaboración de la cocina hibrida son los siguientes: El hierro es el material seleccionado para la mayor parte de la cocina tanto para la estructura externa como interna por ser el material comercialmente más usado para estas máquinas y por sus propiedades que hacen que sea un material muy resistente al calor y a la corrosión, para elaborar la parrilla inferior que forma parte de la carcasa se usara el aluminio , ya que no hace falta un material tan resistente al calor en esta zona de la cocina y es un material económicamente accesible, para algunas piezas adicionales como tornillos y fijaciones se utilizara el hierro igualmente. El cobre se utilizara como estufa eléctrica en forma de espiral por su alta resistencia temperaturas altas, su conductividad térmica y su uso comercial. Las hornillas de gas está dividida en dos partes la tapa y el quemador. El material de la tapa es hierro duro y simple con acabado negro ya que es el material comercial más usado por su alta resistencia al calor, para los quemadores se usara el aluminio siendo este el material más usado industrialmente. La parrilla que esta sobre los quemadores a gas será hecha de hierro, todas las propiedades mencionadas anteriormente lo convierte en el mejor material para esta parte de la cocina. Otros materiales como cables que serán usados para los circuitos eléctricos, perillas de plásticos para regular el flujo del gas y establecer la temperatura de las estufas eléctricas, las resistencias y fusibles serán adquiridos por el grupo investigador para culminar con la elaboración de la cocina hibrida (gas y eléctrica).
32
Objetivo N°4: Elaborar los cálculos de fabricación para el diseño de la cocina. Actividad N°1: Calcular el consumo de energía del sistema eléctrico. Desde una toma corriente especial, una estufa toma energía eléctrica para conducirla a través de cables y resistencias eléctricas. Usa tapones de 8 amperes para protección del cableado, esto permitirá una menor resistencia eléctrica y que los dos cables se mantengan fríos. En promedio las estufas eléctricas más usadas requieren de un interruptor automático de 40 amperes. Las estufas eléctricas toman la energía y la envían a un transformador central, este es el punto en el que la energía eléctrica se distribuye hacia las resistencias. Cuando un interruptor es abierto, se encenderá una resistencia eléctrica, debido a que la energía eléctrica es conducida a través de ella. Esta conducción producirá calor, elevando de esta manera la temperatura de la resistencia. La potencia generada de cocinas eléctricas de dos hornillas convencionales es de 1125W.El grupo investigador tomo como referencia este valor, el cual fue tomado de referencias bibliográficas recopiladas de los datos de fabricación de las cocinas eléctricas examinadas para el presente proyecto. Por esto se selecciona una potencia promedio de 1200W. Según la Ley de Ohm: 𝑃 =𝑉×𝐼 Donde; P: Potencia (W). V: Voltaje (V). I: Intensidad de Corriente (A). El voltaje seleccionado de la cocina es 110V. Por lo tanto, despejando I: 𝐼=
𝑃 1200𝑊 = 𝑉 110𝑉
De esta manera, la intensidad de corriente es aproximadamente 10,90A. Con este valor se puede calcular la Resistencia (Ω):
33
𝐼=
𝑉 𝑉 110𝑉 ;𝑅= = 𝑅 𝐼 10,90𝐴
El resultado arroja 10,09Ω. Volviendo al cálculo principal de la ley de Ohm para comprobar los datos principales: 𝑃 =𝑉×𝐼 P=potencia (W) V=voltaje (V)= 110V I=intensidad (I) = 10,90A
𝑃 = 110𝑉 × 10,90𝐴
Se obtiene 1199W resultado perfectamente equivalente y cercano al primer dato usado de 1200W. El calor desarrollado por una corriente eléctrica al circular por un conductor es directamente proporcional al tiempo, a la resistencia del conductor y al cuadrado de la intensidad de la corriente. 𝐸 = 𝑡 × 𝑅 × 𝐼2 Sustituyendo valores:
𝐸 = 1ℎ × 10,09Ω × 10,90𝐴2
Como resultado se obtiene que el calor producido es de 219,692 J Para calcular el consumo de energía de las estufas se necesita la potencia en Kw (kilowatts), para eso se divide la cantidad original entre 1000. Entonces: 1200𝑊 = 1,2𝐾𝑤 1000 Ahora energía (E) es la potencia consumida sobre el tiempo (t) es decir, expresado matemáticamente: 𝐸=
𝑃 1,2𝐾𝑤 ;= 𝑡 1ℎ
Tomando como tiempo de funcionamiento estándar 1 hora el resultado de consumo enérgico por hora es 1,2Kw de consumo por hora.
34
Los quemadores eléctricos funcionan enviando una corriente eléctrica a través de un elemento o un calentador, hecho de una combinación de metales, en este caso cobre. Al configurar el control del quemador a una temperatura específica, el elemento interior se calienta a esa temperatura y no más arriba. La temperatura máxima que puede alcanzar un quemador eléctrico es de 250C° y la mínima es de 40C°. Si la temperatura se excede a la máxima establecida los fusibles internos se funden por efecto Joule cortando inmediatamente el circuito impidiendo un daño mayor a la cocina. Actividad N°2: Desarrollar el funcionamiento del sistema a gas. El gas utilizado para esta cocina es gas propano. El poder calorífico del gas propano comercial es de 23.400 Kcal/m3, este gas fluye por la tubería desde el regulador principal que proviene en este caso de la bombona hasta un colector interno que tiene válvulas para cada hornilla de la cocina. Las válvulas de los quemadores regulan la cantidad de gas enviado a cada quemador de la superficie de cocción a través de una perilla de control localizada en el exterior de la cocina. Dichas perillas se deben girar en sentido contrario a las manecillas del reloj para permitir la liberación del gas y así poder tener la ignición de la llama, esta perilla de control consta de tres posiciones: la posición neutra o cerrada en la cual el gas está bloqueado y por lo tanto no puede llegar hasta el punto de ignición, la posición alta la cual permite el máximo flujo de gas y una llama elevada la cual alcanza una temperatura de 250C° y la posición baja en la cual el flujo de gas es mínimo y por lo tanto la llama es reducida con una temperatura de 150C°. Cuanto más gas se deje fluir a cada quemador, mayor será la llama y más calor liberara, mientras que menos cantidad de gas significa una llama más baja y menos calor.
35
Objetivo N°5: Realizar los planos de diseño de la cocina. Actividad N°1: Estudiar las dimensiones espaciales de la cocina. En esta actividad se definieron las dimensiones de la cocina para realizar el diseño. El equipo investigador selecciono como dimensiones para el diseño: 700mm de ancho, 400mm de largo y 1000mm de altura. Actividad N°2: Aplicar conocimientos informáticos y de dibujo técnico para la elaboración de los planos. Mediante herramientas y programas computarizados de diseño y conocimientos de dibujo técnico el equipo investigador realizo los siguientes planos:
36
Vistas de la cocina
Figura N°6: Vistas de la cocina Fuente: Los Autores (2016)
37
Vista Isométrica
Figura N°7: Vista Isométrica Fuente: Los Autores (2016)
38
CONCLUSIÓNES
Después de haber investigado sobre las partes de los sistemas eléctricos (termostato, temporizador, fusible y resistencia) y de gas (hornilla, sistema de encendido y línea de gas) se obtuvo toda la información necesaria para conocer el diseño y su respectivo funcionamiento. Ya realizado el diagnostico de fallas de la cocina se obtuvo como resultado que este tipo de cocina no presenta muchos problemas, uno de los más comunes es que el fusible del sistema eléctrico se queme, pero este es fácil de remplazar, en el sistema a gas la probabilidad de alguna falla es muy baja. Una vez definidos los materiales para la fabricación de la cocina hibrida (eléctrica y a gas) se pudo saber con certeza cuales son los materiales idóneos a usar para su construcción, ya que estos deben contar con características específicas para que puedan soportar las condiciones a las que serán expuestos. Luego de elaborar los cálculos de fabricación, el grupo investigador pudo obtener valores numéricos que son vitales para el diseño de la cocina hibrida y para usar de manera correcta los materiales en su fabricación. Utilizando técnicas y herramientas de dibujo mecánico (sistemas de dibujo por computadora y algunas mediciones) se pudieron obtener los planos de una cocina hibrida eléctrica y a gas con las medidas y dimensiones correctas.
39
RECOMENDACIONES
A continuación se presentan las recomendaciones más resaltantes que se pudieron obtener durante el desarrollo de esta investigación.
Una vez obtenidos los cálculos de fabricación se espera que la comunidad donde se implementara este proyecto siga estos valores estrictamente para el uso correcto de la cocina y su buen funcionamiento.
Luego de ser entregados los planos de diseño de la cocina a los principales directivos de la comunidad se espera que cuenten con la correcta asesoría técnica profesional que les facilite la ayuda necesaria y poder seguir de manera apropiada lo establecido en dichos planos.
40
BIBLIOGRAFÍA
Fundación Wikimedia, I. (4 de Abril de 2016). Enciclopedia Libre: Wikipedia.org. (J. W. Sanger, Productor) Recuperado el 25 de enero de 2016, de Wikipedia.org: Obtenido de https://es.wikipedia.org/wiki/Cocina_(artefacto) Fundación Wikimedia, I. (20 de Abril de 2016). Enciclopedia Libre: Wikipedia.org. (J. W. Sanger, Productor) Recuperado el 25 de enero de 2016, de Wikipedia.org: Obtenido de https://es.wikipedia.org/wiki/Circuito Fundación Wikimedia, I. (1 de Marzo de 2016). Enciclopedia Libre: Wikipedia.org. (J. W. Sanger, Productor) Recuperado el 25 de enero de 2016, de Wikipedia.org: Obtenido de https://es.wikipedia.org/wiki/Butano Fundación Wikimedia, I. (22 de Febrero de 2016). Enciclopedia Libre: Wikipedia.org. (J. W. Sanger, Productor) Recuperado el 25 de enero de 2016, de Wikipedia.org: Obtenido de https://es.wikipedia.org/wiki/Propano Fundación Wikimedia, I. (8 de Abril de 2016). Enciclopedia Libre: Wikipedia.org. (J. W. Sanger, Productor) Recuperado el 25 de enero de 2016, de Wikipedia.org: Obtenido de https://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Joule Fundación Wikimedia, I. (20 de Abril de 2016). Enciclopedia Libre: Wikipedia.org. (J. W. Sanger, Productor) Recuperado el 25 de enero de 2016, de Wikipedia.org: Obtenido de https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Ohm Fundación Wikimedia, I. (24 de Febrero de 2016). Enciclopedia Libre: Wikipedia.org. (J. W. Sanger, Productor) Recuperado el 25 de enero de 2016, de Wikipedia.org: Obtenido de https://es.wikipedia.org/wiki/Teoria_de_Circuitos Fundación Wikimedia, I. (4 de Abril de 2016). Enciclopedia Libre: Wikipedia.org. (J. W. Sanger, Productor) Recuperado el 25 de enero de 2016, de Wikipedia.org: Obtenido de https://es.wikipedia.org/wiki/Temporizador Fundación Wikimedia, I. (20 de Abril de 2016). Enciclopedia Libre: Wikipedia.org. (J. W. Sanger, Productor) Recuperado el 25 de enero de 2016, de Wikipedia.org: Obtenido de https://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_Electrica Bracho, Dariana. (5 de mayo de 2013). scribd. Recuperado el 6 de febrero de 2016, de scribd.: https://es.scribd.com/doc/143410112/Tesis-Cocina-Solar
41
LLC, T. (30 de agosto de 2005). wikispaces. Recuperado el 5 de febrero de 2016, de https://leyesdeelectronica.wikispaces.com/Leyes+de+Kirchoff Astudillo, C. (15 de Marzo de 2015). almamater-uptjaa.com.ve. Recuperado el 8 de Octubre de 2015, de www.almamater-uptjaa.com.ve Lasose, R. E. (15 de noviembre de 2010). refrielectric.wordpress.com. Recuperado el 20 de febrero de 2016, de https://refrielectric.wordpress.com/informacion/termostato/ OxfordUniversity. (01 de enero de 2016). oxforddictionaries.com. Obtenido de http://www.oxforddictionaries.com/es/definicion/espanol/gas OxfordUniversity. (1 de Enero de 2016). oxforddictionaries.com. Recuperado el 11 de noviembre de 2015, de http://www.oxforddictionaries.com/es/definicion/espanol/hornilla OxfordUniversity. (01 de enero de 2016). www.oxforddictionaries.com. Recuperado el 11 de noviembre de 2015, de http://www.oxforddictionaries.com/es/definicion/espanol/fusible Rosagb. (26 de enero de 2015). rosagb.wordpress.com. Recuperado el 11 de noviembre de 2015, de https://rosagb.wordpress.com/category/c-del-medio/electricidad/ Unicef. (1 de abril de 2000). unicef.org. Recuperado el 2 de marzo de 2016, de http://www.unicef.org/venezuela/spanish/LOPNA(1).pdf Venezuela, A. d. (26 de septiembre de 2001). unet.edu.ve. Recuperado el 2 de marzo de 2016, de http://www.unet.edu.ve/investigacion/documentos/lomct.pdf
42
ANEXO N°1 (Sistema a gas)
43
Sistema a gas
44
ANEXO N°2 (Isometría a color)
45
46
