Introducción (necesaria pero opcional)
Durante algún semestre cualquiera en mi paso por la universidad, un compañero planteó una pregunta que fue interesante y de la cual nunca tuve una respuesta clara: ¿cómo funciona el sistema de apagado de los hervidores eléctricos?
Entre estudiantes de ingeniería parece algo trivial y la primera y más frecuente respuesta de uno de ellos fue que tenía un termostato ajustado para actuar a 100[°C]. Casi instantáneamente respondí (con un toque de nostalgia por las tazas de té en mi ciudad-campamento natal) que en "altura" la temperatura de ebullición del agua es menor a 100[°C] y que allí el agua hervía y el hervidor se apagaba, por lo que, el sistema no podía estar ajustado los 100[°C]. Otro respondió "entonces puede que sea un sensor de presión", lo cual fue rebatido con el argumento del precio y las dificultades de calibración que debía cumplir el sensor de presión. Otra respuesta fue que la temperatura de ajuste del termostato esta muy por debajo del punto de ebullición y que en realidad el agua no hervía.
A la hora del té, volvíamos a recordar la pregunta. Al percatarnos de que el hervidor no se apagaba cuando se dejaba la tapa abierta, nos hizo pensar de manera tajante a algunos que se trataba de un sensor de presión. Incluso una vez en un laboratorio de "transferencia de calor" le preguntamos al profesor, quién en un acto de sabiduría y humildad nos dijo "no sé".
Pasó el tiempo y cada vez que conocía gente nueva le planteaba la pregunta ¿Sabes como es el sistema de apagado de un hervidor eléctrico?y cada vez recibía respuestas nuevas, algunas evidenciaban errores de conceptos, pero otras eran elegantemente creativas. Incluso llegué a utilizar esta pregunta para ver el tipo de ingeniero o técnico con el que estaba tratando. Los resultados daban para interpretarse como un test de personalidad: no solo mostraba si la persona pensaba de forma correcta y aplicaba bien los conceptos, si no que, además mostraba cuánta seguridad tenía el sujeto de lo que decía y con cuanta humildad aceptaba otra opinión externa. Pasó más tiempo y las respuestas se iban acumulando, respuestas que iban desde sensores de humedad, pasando por acelerómetros, termostatos regulables hasta medidores de potencia. Pensaba que tal vez Hernán Rivera Letelier me diría que son los duendes que apagan esos hervidores eléctricos.
Hasta que un día en que dos eventos trascendentales en mi vida, la cesantía y el fallo del hervidor de mi casa, me dieron la posibilidad de ver qué sucedía y saciar la curiosidad
El sistema
El objetivo del sistema
El objetivo del hervidor es calentar agua hasta que hierva. Por lo tanto, cuando el agua comience a hervir, el hervidor tienen que tener un sistema de apagado. ¿Cómo se "da cuenta" el hervidor que el agua está hirviendo?
El termostato
El sistema funciona con un termostato. El termostato es un dispositivo que activa algo, en este caso desactiva el paso de corriente, cuando se alcanza una temperatura superior a la que se configura. En otras palabras superada la temperatura de configuración, o de "seteo", el termostato corta la corriente.
Cómo no funciona el sistema
Surge casi de inmediato la idea de poner un termostato que se apague a la temperatura de ebullición del agua, pero el agua no siempre hierve a 100 [°C]. De hecho, esto solo sucede a nivel de mar. Si usted está en La Paz, Bolivia el agua le va a hervir a una temperatura cercana a los 89[°C]. ¿Se imagina si ponemos un sistema que se apague cuando el agua alcance los 100[°C] en La Paz, Bolivia? El sistema no se apagaría. ¿Cómo se resuelve el apagado de un hervidor a distintas alturas, y por lo tanto, a distintas temperaturas de ebullición del agua?
Cómo funciona el sistema
Hay un truco interesante, pues el sistema funciona con un termostato, sin embargo este termostato no está en contacto con el agua que queremos hervir. El termostato está en contacto con el aire y esta ubicado en una cámara alejado del contacto directo con el agua. El termostato se activa a 60[°C]
¿Cómo es que funciona el termostato si está configurado a 60°C? Al hervir el agua se produce una cantidad de vapor abundante, tan abundante que se esparce por todo el interior del hervidor, incluso inundando la cámara donde está el termostato. Como el vapor estaría a 100[°C] a nivel del mar y el termostato se activa a una temperatura superior a los 60[°C], al entrar en contacto el vapor con el termostato, este se activa, cortando el funcionamiento del calentador.
Mientras el agua no hierva, no hay vapor abundante y por lo tanto, el termostato no entra en contacto con aire a temperatura alta que lo pueda activar.
El sistema no tiene que configurarse a las temperaturas de ebullición para cada altura, pues se activa con la condición de que se llene de vapor la cámara donde está el termostato.
Las partes
En la parte dónde está el agua, hay una entrada en la parte superior del hervidor (foto 1) que lleva el vapor hacia un compartimento o cámara (foto 2) dónde está el protagonista de la película (o el jovencito como dicen las abuelitas) el termostato (foto 3). El termostato se activa cuando entra en contacto con el vapor a alta temperatura que inunda la cámara cuando el agua hierve. Al deformarse el termostato activa una palanca que desactiva el interruptor llevándolo a la posición de apagado abriendo el circuito, apagando el calentador. El sistema de apagado incluye el termostato y el interruptor, y se puede ver en la página del proveedor (disponible en chino).
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| Foto 1: Entrada de vapor |
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| Foto 2: Conducto que lleva el vapor al termostato |
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| Termostato (de la página del vendedor) |
¿Cuando falla o cuando no funciona?
Es importante notar que una posible falla puede ser el sobre-llenado del hervidor haciendo que el termostato no se active cuando corresponde (por algo el hervidor tiene una marca de nivel de agua que dice máximo). El "no cierre" de la tapa del hervidor, o mejor dicho, el hecho de que la tapa del hervidor esté cerrada ayuda a que el conducto que conecta con el termostato se llene de vapor y pueda activarse. Si la tapa está abierta el conducto no se llena y el termostato no se activa para apagar el hervidor.
En otras palabras cuando el hervidor queda con la tapa de carga de agua abierta el vapor sale por ahí y puede que no llegue a la cámara donde está ubicado el termostato. Si el vapor no llega donde está el termostato, el sistema no se acciona y el calentador no se apaga, quedando el agua hirviendo hasta que se evapore toda, lo que puede resultar en un accidente.
Comentarios
El hecho de que el termostato se active cuando le llega vapor, que puede estar en un rango amplio de temperatura, no exige precisión en la temperatura de ajuste del termostato. Esto hace que el sistema funcione a distintas alturas geográficas (la temperatura de ebullición del agua disminuye con la altura), por lo que el sistema es robusto, desde el punto de vista de la altura.
La elegancia de la solución está en que el sistema puede adaptarse a la altura, sin tener que cambiarle algo, moverle una perilla, etc. La condición de apagado es que le llegue vapor al termostato, y que este alcance cierta temperatura para activarse, temperatura que debe ser inferior a la del vapor que entra en contacto con el termostato (para asegurarnos de que se active). Eso nos lleva a otra pregunta, ¿Qué pasa si la temperatura a la que el termostato se activa es mayor a la temperatura de ebullición o la temperatura del vapor caliente? El termostato no se activará y el hervidor seguirá funcionando. Si la temperatura de ebullición baja con la altura geográfica llegará un punto en que a cierta altura al termostato le llegará vapor, pero la temperatura de este será menor a la temperatura de ajuste y no se apagará el hervidor ¿cómo determinar esa altura?¿A que altura el hervidor no funciona?
Si la temperatura de ebullición baja con la altura, partiendo a 100[°C] al nivel del mar, pasando por los 90 a 2500 metros sobre el nivel del mar, ¿Llegará en alguna altura bajar tanto la temperatura de ebullición que no sea capaz de funcionar el termostato?
Para saber a qué altura ya no funciona el hervidor, debemos conocer la temperatura a la que el termostato se activa y ver a qué altura la temperatura de ebullición es igual a esta última. Suponemos que la temperatura del vapor es igual a la temperatura de ebullición del agua en esa altura, obviamente hay una diferencia pero para estos fines es una buena aproximación
Midiendo la temperatura de ajuste del termostato
Con una plancha de ropa, un multímetro que trae un sensor de temperatura y una cámara (también con mucho cuidado) se registra el momento en que se activa el sensor de temperatura y que corresponde a 62[°C].
La altura a la que el hervidor no se apaga
Conocida la temperatura de activación del termostato, 62[°C], buscamos los datos del punto de ebullición del agua. En la tabla disponible en engineeringtoolbox aparecen la columna temperatura y presión de ebullición. Interpolamos (a mano o con una spline-cúbica) y luego con la presión correspondiente a los 62[°C] buscamos una tabla de atmósfera estándar e interpolamos la altura para dicha presión. Con un archivo matlab que contiene el procedimiento anterior, obtenemos la altura de 11200 [m].
Considerando que la máxima altura geográfica es la del Monte Everest 8848[m], el diseño del hervidor es bueno, y sirve para ser usado en cualquier altura sobre la tierra.
Tal vez si alguien tiene un avión como un Airbus 320 despresurizado volando como a 11000 [m] se pueda probar si no funciona, y después me cuente.
Si usted tiene un método para alcanzar esa altura con corriente alterna disponible, contácteme y hacemos la prueba.
En resumen
Un hervidor eléctrico se apaga cuando un el vapor que se produce al hervir el agua acciona un termostato ubicado en una cámara separada del contenedor de líquido, cortando el circuito del calentador de agua.
