ES2253554T3 - Maquina para la produccion de agua caliente, vapor, y bebidas calientes. - Google Patents

Abstract

Una máquina para producir agua caliente, vapor, y bebidas calientes, del tipo que comprende un hervidor de acumulación de vapor saturado (1), una lanza de dispensación de vapor (9), un dispensador de agua caliente (8), un primer transductor (3) para controlar el nivel de agua en el hervidor, un segundo transductor (4) para controlar un parámetro de presión/temperatura en el hervidor, por lo menos un elemento calentador (7) del agua en el hervidor, un dispositivo de relleno (5) de agua en el hervidor, un dispositivo de mando (6) del elemento calentador, un sistema de control (11, 12) con una unidad central de proceso (12) que, en respuesta a la activación de la operación de dispensación de agua caliente, activa inmediatamente el mencionado dispositivo de mando (6) del elemento calentador (7) y, si el parámetro de temperatura/presión del hervidor, controlado por el mencionado segundo transductor (4), es mayor que un valor umbral inferior predeterminado (LP), activa además el mencionado dispositivo de relleno (5), manteniéndolo activo en los intervalos temporales en los que el parámetro de temperatura/presión en el hervidor, controlado por el mencionado segundo transductor (4), es mayor que el mencionado valor umbral inferior (LP), hasta la restitución de un nivel elevado (HL) de agua en el hervidor, reconocido por el mencionado primer transductor (3), y desactiva el mencionado dispositivo de mando (6) del elemento calentador (7), solo cuando el nivel de agua en el hervidor ha sido restablecido y la presión/temperatura del hervidor, controlada por el mencionado segundo transductor (4), excede un valor umbral superior predeterminado (HP).

Description

Máquina para la producción de agua caliente, vapor, y bebidas calientes.

La presente invención se refiere a un aparato equipado con un hervidor y, posiblemente, con calentadores individuales, para producir bebidas calientes como café, capuchino, te, ponche, y similares.

Tal aparato está equipado con un sistema de control central, programado para gobernar las funciones que son necesarias para la preparación de las mencionadas bebidas (abastecimiento de agua caliente, vapor, recargar y calentar una correspondiente cantidad de agua fría) el cual, teniendo en cuenta las respectivas capacidades de los elementos individuales de medida, del circuito lógico de funcionamiento de cada proceso y de las influencias recíprocas negativas, actúa para explotar de forma eficaz las funciones del mencionado aparato.

Arte previo

Es conocido que las máquinas para hacer café exprés y bebidas calientes, usadas por lo general en lugares públicos, comprenden un hervidor de vapor saturado (y posiblemente uno, o más, hervidores auxiliares) para el abastecimiento instantáneo de agua caliente, de vapor y para la preparación del café.

El uso del hervidor como generador de calor y acumulador, es especialmente ventajoso, debido a que permite que se preste diversos servicios, generalmente instantáneos y sin demoras, a petición, con un solo sistema de control y un solo aparato calentador, usando menos potencia de la que se necesitaría disponiendo distintos aparatos equipados, cada uno, con la necesaria potencia de calentamiento para cada función individual (café, agua para te, vapor). Esto es posible debido a que, usualmente, la prestación de los diversos servicios tiene lugar de forma alternativa. Por ejemplo, si la persona que está usando la máquina está preparando café, no prepara te, y si tiene que calentar leche para capuchino, deberá hacerlo después de haber preparado el café.

Con este tipo de trabajo principalmente secuencial, una fuente de calor con potencia y capacidad calorífica bajas, es capaz de satisfacer deforma alternativa las necesidades de los diversos servicios. No obstante, cuando este tipo de aparato se usa en estaciones sometidas a picos de trabajo intensos, con la presencia de numerosos usuarios, puede producirse combinaciones simultáneas y no coordinadas de los servicios, que ponen al sistema en crisis.

Después se verá un ejemplo.

Si el uso de un solo hervidor, o generador, tiene ventajas indiscutibles de compacidad y simplicidad, sigue acusando un problema de incompatibilidad de las temperaturas necesarias con la producción de vapor de alto contenido térmico (>120ºC), y las necesarias para la preparación de café exprés de alta calidad (<100ºC).

Este inconveniente puede superarse mediante proveer varios hervidores o generadores separados, dimensionados adecuadamente y dedicados a cada función individual, o a grupos de funciones, por ejemplo un generador para café, uno para agua caliente y uno para vapor, o bien uno para café y agua caliente y uno para vapor, o uno o más para café y uno para agua caliente y vapor. En este caso, sin embargo, la potencia usada, que es la suma de las potencias eléctricas dedicadas a cada generador individual, crece sustancialmente, y puede dar lugar a sobrecargas inaceptables, para evitar lo cual, tal como se propone en el documento US-A-5 408 917, se prevé un sistema de gestión integrado, que activa los diferentes elementos de calentamiento en una sucesión ordenada, de acuerdo con un orden de prioridad programable.

En cualquier caso, el control de las temperaturas y, posiblemente, del nivel de agua en el hervidor, tiene lugar con bucles de control que son independientes entre sí y, como veremos, pueden provocar fácilmente condiciones de colapso térmico del aparato.

Para mantener el uso de un solo hervidor y superar los problemas relacionados con la temperatura del café, también se ha desarrollado sistemas más o menos complejos, basados en el uso de cambiadores de calor, integrados en un solo hervidor. Estos sistemas, en cualquier caso, no son capaces de soportar ritmos de trabajo variables, con una constancia en la respuesta térmica.

En ambos casos, permanece el problema de dominar los picos de demanda sin incrementar excesivamente la potencia eléctrica usada.

El recurso usado convencionalmente para este objeto, consiste en dimensionar el hervidor con una cierta acumulación de calor, que permita que se supere los picos de calor demandados.

Sin embargo el volante térmico también tiene sus inconvenientes.

Sin duda, incrementar la capacidad térmica, supone también incrementar la inercia, haciendo que el aparato esté menos dispuesto a responder, y empeora los aspectos negativos de la histéresis de intervención de los dispositivos de control, y de las constantes temporales de los sensores (esencialmente los sensores de nivel y de temperatura o presión).

Así la mayor capacidad e inercia térmicas si, por un lado, permiten que se soporte picos de carga más altos, por el otro reducen la capacidad del sistema para volver rápidamente a las condiciones normales de funcionamiento, y no permite que la potencia eléctrica instalada se explote completamente.

Por ejemplo, el suministro de 500 gramos de agua reemplazada por una cantidad correspondiente de agua fría, será reconocido más rápidamente por el sistema de control de un hervidor con una acumulación de 5 kg de agua, que por el de un hervidor con una acumulación de 10 kg.

En un uso ordinario, debido a la histéresis, a la presencia de volantes térmicos más o menos grandes, y a las constantes térmicas de los sensores, los elementos de calentamiento permanecen inactivos, por ejemplo durante el 20% del tiempo, al término de una hora de trabajo muy intenso, un aparato equipado con un elemento de calentamiento con una potencia de 5 kW (capaz por tanto de abastecer 5 kWh durante una hora) en realidad habrá suministrado solo 4 kWh, es decir, habrá dado un rendimiento con cierto grado de falta de eficiencia.

Un diseño preciso puede, además, limitar la influencia de demoras en la respuesta del elemento de control de medida, tal como se describe en el documento GB-A-1 470 524 pero, puesto que los retardos dependen de las constantes temporales térmicas de los propios elementos de medida, y de las masas térmicas involucradas, en cierta medida siempre han sido la causa de una mayor o menor falta de eficiencia.

Sumario de la invención

La presente invención soluciona estos problemas, y proporciona un aparato para producir bebidas calientes como café, te, capuchino y similares, en el que el agua caliente y el vapor necesarios para las mencionadas bebidas, se producen por medio de un generador de vapor, posiblemente combinado con un dispositivo de intercambio de calor o, si no, con un hervidor separado para producir café, gobernado por una unidad central, programada para funcionar con gestión "inteligente" de las fuentes, que optimiza su eficiencia sin lastrar al aparato con excesivos volantes y/o excesiva potencia instalada.

Las características de la invención se especifican en las reivindicaciones anexas, y aquí indicamos el criterio básico usado en el sistema de control.

1) Intervención inmediata de los dispositivos de control, para reintegración de nivel y contenido térmico

Cuando se lleva a cabo una entrega de agua, sabiendo que este proceso dará comienzo, con una demora determinada por la inercia o por la histéresis de los sensores, a la entrada de agua fría de sustitución, el controlador central activa inmediatamente el calentamiento, sin esperar a que se enfríe la temperatura del sensor y consiguientemente provoque la activación del calentador.

A la vez, activa la entrada del agua fría para la reintegración del nivel.

De este modo, todas las demoras del arranque puede anularse, mientras que los sensores mantienen una función de vigilancia sobre el estado general de la unidad para garantizar su seguridad.

El mismo criterio, sin la entrada de agua de sustitución, puede usarse en el caso de suministro de vapor. Sin duda, el suministro de vapor, aún involucrando un consumo de agua modesto, detrae una cantidad sustancial de calor desde el hervidor.

2) Condicionar la función de reintegración de agua, a la función de regulación de temperatura

Cuando se toma una cantidad de agua caliente del hervidor, los sistemas convencionales de control de nivel funcionan incondicionalmente, para restituir una cantidad de agua fría correspondiente a la que se ha sacado del hervidor, aunque con un retardo determinado por la histéresis de los sensores. Si tal cantidad es comparable, en volumen, con el contenido del hervidor, también con calentamiento activo, puede haber temporalmente un colapso en la temperatura y la presión, que haga temporalmente no utilizable al aparato para ciertas funciones, como por ejemplo el suministro de vapor.

En este caso, puede mejorarse los rendimientos haciendo que el proceso de restitución del nivel sean gobernados de una forma "inteligente" por la unidad de control central. Sin duda, una vez que el nivel de temperatura y/o presión crítica, por debajo del cual hay una degradación del rendimiento, se ha determinado, y una vez que se ha determinado un nivel sobre el cual el rendimiento es bueno, por medio de los sensores de temperatura (o presión), puede controlarse el estado térmico del hervidor, y el controlador central puede detener temporalmente el proceso de restitución del nivel, cuando la temperatura (o presión) cae por debajo del valor crítico predeterminado, comenzando de nuevo el llenado cuando ha llegado al valor aceptable.

Así, se evita mandar incluso temporalmente al hervidor a condiciones de colapso térmico, manteniéndolo siempre listo para entregar vapor con buen contenido térmico.

3) Limitación en la potencia eléctrica absorbida

- Junto con el criterio de control esbozado arriba, puede limitarse la potencia eléctrica absorbida, como se propone en el documento US-A-5 408 917.

Si, por ejemplo, el aparato comprende un hervidor de vapor principal y 2 dispensadores de café y, para ser capaz de gobernar sus temperaturas independientemente, los dispensadores de café están equipados con calentadores separados, respecto de los del hervidor de vapor, la potencia acumulativa instalada puede elevarse.

Por ejemplo, las características de dimensionado dadas de un aparato para de producción intensiva, son: 1,5 kW para cada calentador para café, y 4,5 kW para el hervidor de agua caliente y vapor. Cuando los elementos de calentamiento funcionan simultáneamente, se suma las potencias y, así, es necesario dimensionar la línea de alimentación de la máquina para picos de potencia de 7,5 kW.

También en este caso, a través del controlador central, puede limitarse la potencia máxima requerida para la máquina, mediante asegurar que algunos elementos calentadores actúen de forma excluyente respecto de otros.

Usualmente el calentador del hervidor de vapor está ya normalmente subdividido en tres elementos para suministrar la red externa de suministro, que puede ser trifásica, con una carga que es simétrica y está equilibrada en la medida de lo posible.

Si el controlador central está programado para asignar a cada uno de los calentadores de café con una función exclusiva con uno de los elementos calentadores del hervidor, con prioridad para gobernar la función de café, dejando al calentador no condicionado por exclusiones para solo uno des elementos calentadores del hervidor, la máxima potencia absorbida puede limitarse a solo 4,5 kW, en lugar de los 7,5 kW que se presentan sumando juntas las potencias de cada elemento.

De este modo, habrá la misma potencia que se usaría con un solo generador, pero se mantiene una gestión independiente de la temperatura de los calentadores.

Las características y ventajas de la invención se harán más claras a partir de la siguiente descripción de una realización preferida, que se proporciona con referencia a los dibujos anexos, en los cuales:

- la figura 1 es un diagrama de bloques, de una máquina para preparar bebidas calientes, del arte previo;

- la figura 2 es un diagrama de estado, que describe la función de reintegración de nivel, en la máquina de la figura 1;

- la figura 3 es un diagrama de estado, que describe la función de restitución de presión/temperatura, en la máquina de la figura 1;

- la figura 4 es un diagrama de bloques, de una máquina para preparar bebidas calientes acorde con la presente invención;

- la figura 5 es un diagrama de estado, que describe el funcionamiento de la máquina de la figura 4;

- la figura 6 es un diagrama temporal comparativo, de la evolución de la temperatura/presión en las máquinas de las figuras 1 y 4, durante el curso de un ejemplo de un ciclo operativo, que es idéntico para ambas máquinas,

- la figura 7 es un diagrama temporal que muestra, con referencia al ciclo operativo de la figura 6, las diferentes etapas de actividad de la máquina de la figura 1;

- la figura 8 es un diagrama temporal que muestra, con referencia al ciclo operativo de la figura 6, las diferentes etapas de actividad de la máquina de la figura 4;

- la figura 9 es un diagrama de bloques, de una variante de la máquina de la figura 4.

Para apreciar mejor la invención, la figura 1 representa un diagrama de bloques de una máquina para producir bebidas calientes, del arte previo del tipo, por simplicidad, en el que el calentamiento del agua para café tiene lugar a través de un dispositivo de intercambio de calor.

La máquina comprende un hervidor de vapor saturado 1, un dispositivo de intercambio de calor 2 (para preparar café), un transductor -indicador 3 del nivel del hervidor L, un transductor- indicador 4 de la presión y/o la temperatura del hervidor P/T, un dispositivo 5 (generalmente una electroválvula) para rellenar el hervidor, dispositivos 6 (generalmente conmutadores electromagnéticos de estado sólido) para controlar los elementos alentadores 7 del hervidor (generalmente tres, para permitir alimentarlos con un una red trifásica), un dispensador de agua caliente 8 (generalmente una electroválvula mezcladora con agua fría, para evitar ebullición), un lanza de distribución de vapor 9, y un dispositivo dispensador de café 10 (o varios dispensadores).

Como ejemplo, la máquina de la figura 1 puede tener las siguientes características:

-

volumen del hervidor 1: 5 libros.

-

volumen de agua al nivel normal (HL): 3 litros,

-

volumen acopado por el vapor: 2 litros,

-

potencia de calentamiento del hervidor: 4 500 W (1,075 Cal/s),

-

presión de funcionamiento (HP): 1,2 bar, correspondientes a una temperatura de unos 123ºC.

-

caudal del dispositivo de relleno del hervidor 5: 0,014 l/s.

-

caudal del dispensador de agua caliente: 2 l/min (0,033 l/s),

-

retardo de respuesta promedio de los indicadores de presión/temperatura y nivel del hervidor: 10 s.

El caudal de la lanza de distribución de vapor, que puede expresarse en términos de caudal de vapor (g/s) o, más significativamente, en términos de la potencia térmica distribuida, con una buena aproximación igual al producto del calor específico de condensación/evaporación (en el rango entre 100ºC y 123ºC, unas 540 Cal/kg, es decir 4,18 \cdot 540 kJ/kg) para el caudal de vapor expresado en peso, es variable de acuerdo con la presión del hervidor: obviamente cero para presión no relativa en el hervidor, varía, en precisa aproximación, linealmente desde 0 hasta 2,5 cm^{3}/s, en el rango de presiones relativas entre 0 y 1,2 bar y, generalmente, en el rango entre 1 y 1,2 bar, correspondiente a una potencia térmica distribuida de 1,2 Cal/s (unos 5 kW).

El hervidor 1 está controlado por dos bucles de control, que son independientes entre sí: el transductor de presión/temperatura 4 controla el dispositivo 6, para potenciar los elementos térmicos si la presión/temperatura en el hervidor cae por debajo de un primer valor predeterminado LP (por ejemplo 1 bar en términos relativos), y para retirar el suministro si la presión excede un segundo valor predeterminado HP (por ejemplo 1,2 bar).

Los dos valores LP y HP pueden coincidir, y pueden escogerse para regulación en exceso, debido a la respuesta retardada del transductor están contenidos dentro de límites aceptables. Por ejemplo, puede ser conveniente hacer
HP = LP, y hacerles corresponder a 120ºC.

El sensor de nivel 3 controla el dispositivo 5 para el suministro de agua fría al hervidor, si el nivel en el hervidor cae por debajo de un valor predeterminado LL, por ejemplo correspondiente a 2,7 libros, e interrumpe el suministro si el nivel medido alcanza un segundo valor HL, por ejemplo correspondiente a 3 litros.

Además en este caso LL y HL pueden coincidir y, convenientemente, pueden corresponderse con un volumen líquido en el hervidor, de 2,85 litros.

No hay interacción entre la regulación de presión/temperatura y el nivel de regulación, que son ambos del tipo ACTIVADO-DESACTIVADO intermitente, posiblemente con una banda inactiva, adecuada para evitar excesiva frecuencia de intervención de dispositivos de control. La histéresis de los transductores produce un efecto equivalente.

Cada bucle de control actúa independientemente respecto del otro, con un circuito lógico que depende estrictamente, de modo inequívoco y repetitivo, de las características con las que han sido diseñados el elemento que detecta el valor de la cantidad a ser controlada, y el accionador que gobierna la mencionada cantidad.

El comportamiento del sistema se describe, de forma eficaz y sintética, por medio de dos redes Petri distintas, o máquinas de estado finito mostradas en las figuras 2 y 3.

La función de control de nivel (figura 2) tiene solo dos posibles estados: inactivo LI, o activo LA.

Del estado LI, la máquina pasa al estado LA si la condición LL es cierta, es decir, si se afirma la señal LL, y vuelve al estado LI si se presenta la condición HL, es decir si se afirma la señal HL.

En el caso de HL = LL, la condición HL corresponde a LL rectificada.

Del mismo modo (figura 3) la función de control de presión/temperatura (en un hervidor de vapor saturado, la presión y la temperatura correlacionadas de forma biunívoca) tiene solo dos estados: inactivo P/TI y activo P/TA.

Desde el estado P/TI, la máquina pasa el estado P/TA si la condición LP es cierta, es decir, si se afirma la señal LP, y vuelve al estado P/TI si la condición HP es verdadera, es decir si se activa la señal HP:

En el caso de que HP = LP, la condición HP corresponde a LP rectificada.

Puede notarse que el suministro de café, agua caliente o vapor, no tiene efecto directo sobre el estado de las dos máquinas, y no hay interacción mutua entre los estados de las dos máquinas.

Por comparación, la figura 4 representa un diagrama de bloques simplificado, de una máquina para producir bebidas calientes realizada de acuerdo con la presente invención. En la figura 4 los elementos de que son funcionalmente equivalentes a los de la figura 1, están identificados con los mismos números de referencia.

La máquina comprende un hervidor de vapor saturado 1, un cambiador 2, un transductor-indicador 3 del nivel de vapor, un transductor-indicador del parámetro de temperatura/presión del hervidor, un dispositivo de accionamiento 6 de los elementos térmicos 7 del hervidor, un dispensador de agua caliente 9 y dispositivos dispensadores de café
10.

Además, comprende un sistema de control con una unidad central de proceso o CPU 11, y un teclado numérico de control 12.

Los componentes son sustancialmente los mismos que los del control de bucle independiente de la figura 1, y tienen las mismas características de caudal y tiempo de respuesta.

En este caso, no obstante, la totalidad de la información detectada por los transductores 3, 4 es enviada a la CPU, que controla no solo el calentamiento y llenado del hervidor de forma interactiva, sino también la totalidad de las otras funciones llevadas a cabo por el aparato.

En concreto, la activación de los dispositivos dispensadores 8, 9, 10 puede ser controlados por la CPU, de acuerdo con órdenes recibidas a través del teclado numérico 12 (alternativamente el teclado numérico 12 puede directamente dar órdenes a los dispositivos 8, 9, 10, pero enviar a la vez una correspondiente señal a la CPU), de forma que la CPU reconoce las operaciones de suministro que son necesarias, puede controlar su ejecución y, de acuerdo con las operaciones en curso o las que están programadas ordenadamente, y de acuerdo con el estado del sistema, puede gestionar las operaciones de restablecimiento del nivel y la temperatura, de forma óptima, para minimizar las influencias negativas recíprocas asociadas al desempeño de las diversas funciones.

En concreto la CPU, de acuerdo con los diferentes servicios necesarios, puede anticipar la activación de las órdenes de restablecimiento del nivel y/o de la temperatura/presión, sin esperar a la intervención de los sensores de nivel y/o presión/temperatura, deshaciéndose de las correspondientes demoras.

Además, puede subordinar la ejecución de las operaciones de restablecimiento del nivel, a la presencia, en el hervidor, de una presión HP que constituye una presión de trabajo nominal máxima, y suspender la operación de restablecimiento del nivel, si la presión cae por debajo de un umbral mínimo LP de eficiencia del dispensador de vapor.

Incluso en este caso, el funcionamiento del sistema puede describirse de forma eficaz y sintética, por una máquina de estado como la representada en la figura 6.

La máquina tiene fundamentalmente tres estados: inactivo (I), activo en calentamiento y recarga de agua (WR&H), y activo solo en calentamiento (H).

En la figura 5 se identifica las condiciones que, cuando incluso solo están presentes temporalmente, dan lugar a los cambios de estado, por medio de los siguientes acrónimos:

-

HL, nivel en el hervidor normal (alto),

-

HP, presión en el hervidor normal (alta),

-

LL nivel en el hervidor bajo,

-

LP presión en el hervidor baja,

-

WD señal de dispensador de agua caliente activo,

-

SD señal de dispensador de vapor activo.

El símbolo "." tiene el significado de un operador lógico Y.

El símbolo "+" tiene el significado de un operador lógico O.

La letra "N" que precede a un acrónimo, tiene el significado de operador de inversión lógica (NOT).

En el caso en que se tiene HL = LL y HP = LP, está claro que LL = NHL y LP = NHP.

Puede notarse inmediatamente que la máquina pasa del estado inactivo I al estado WR&H, tan pronto como tiene lugar dispensación de agua (WD afirmado), en tanto en cuanto la presión en el hervidor no sea baja (NLP afirmado) o, si no, independientemente de cualquier distribución de agua, en el caso de que el nivel en el hervidor sea bajo (LL afirmado) junto con que la presión sea alta (HP afirmado).

Ya en esto, el sistema muestra un comportamiento diferente al comportamiento del sistema del arte previo porque, además de la activación del relleno de agua y al calentamiento por efecto de la señal LL afirmada, se activa inmediatamente el relleno de agua y el calentamiento, en cuanto se ordena la operación de dispensar agua caliente y, con esto, se suprime los retardos de respuesta de los sensores.

Además, frente al arte previo, incluso en el caso de LL activado, la transición de estado está subordinada a la condición HP afirmada.

A partir del estado WR&H, la máquina vuelve al estado I si ambas condiciones HP y HL son ciertas.

Sin embargo, la máquina también puede dejar el estado WR&H para pasar al estado H, si la condición HL.NHP está presente, o bien la condición LP es cierta (en el caso en que LP = NHP, las dos condiciones son la misma), o bien la condición SD es cierta.

A partir del estado H, la máquina puede volver al estado WR&H una vez que, por efecto del calentamiento, se alcanza la presión normal de trabajo HP, si la condición de nivel alto no está presente (NHL cierto).

Finalmente, a partir del estado I, la máquina puede pasar al estado H cuando hay una condición de baja presión (LP cierto), o bien si está activada la dispensación de vapor (SD cierto).

En el caso de dispensación de vapor hay una sustracción sustancial de calor en el hervidor, mientras que es despreciable el consumo real de agua: por tanto es necesaria una restauración inmediata del contenido térmico del hervidor, mientras que la restauración posible del nivel puede posponerse al momento en que se haya alcanzado la presión HP.

Desde el estado H puede después volver al estado inactivo I, cuando tanto las condiciones HP como HL son ciertas.

El estado H no descarta la posibilidad de llevar a cabo dispensación de agua caliente: en este caso la máquina, simplemente, no cambia su estado.

Sin duda la entrada de agua fría en el hervidor, para reintegrar el nivel, tendría la consecuencia de una reducción adicional en presión: por tanto es necesario cuidar primero del restablecimiento de la presión y, solo después, del restablecimiento del nivel. En otras palabras, si se ordena la dispensación de agua caliente cuando la máquina ya está en el estado H, la máquina permanece en el estado H.

La figura 5 destaca la complejidad de las interacciones que se desarrollan en el sistema de control de la presente invención: de hecho, el sistema de regulación es incluso más complejo debido a que, aparte de la interacción entre el agua y la dispensación de vapor, el control del nivel y el control de presión/temperatura, la CPU interviene bloqueando el funcionamiento del hervidor, o de ciertas funciones, en el caso de detectarse situaciones anómalas o inadmisibles, que también son señalizadas, por ejemplo en relación con el nivel o la presión, que en condiciones de funcionamiento deben, en cualquier caso, estar contenidas entre un valor máximo LM, PM y un valor mínimo Lm, Pm, o bien gradientes GI (variaciones temporales del nivel o la presión) que son inconsistentes con las operaciones en curso.

De forma esquemática, para tener en cuenta estas posibilidades, el diagrama de estado de la figura 5 se suma con la adición del estado A de alarma y/o bloqueo, al que pasa, desde uno al otro estado, cuando se ha producido cualquiera de los eventos indicados arriba (LM, PM. etc.).

En general, desde el estado de alarma la máquina vuelve al estado inactivo I, solo con una intervención manual MI del operador.

Para mayor claridad, proporcionaremos ahora un ejemplo de funcionamiento.

Supongamos que la máquina está inicialmente en el estado inactivo I, en condiciones normales de presión (NLP cierto o, en el caso en que LP = HP, HP es cierto, por ejemplo afirmado).

Para mantener la eficiencia de la dispensación del hervidor 1 en un máximo, la CPU 11 de la figura 4 está programada para gobernar el equipo con la siguiente lógica:

- cuando el dispensador de agua caliente 8 está activado, la orden de calentamiento y la orden de rellenar el hervidor se activan inmediatamente, es decir la máquina pasa del estado I al estado WR&H (figura 5).

- para asegurar la seguridad, la CPU pasa a controlar el transductor del sensor de presión/temperatura 4 y el sensor de nivel 3. El primero no debe, en ningún caso, señalar que se ha excedido una presión de seguridad máxima PM. Además, puesto que la simultaneidad del proceso de dispensación con un caudal de 0,033 litros/s, y del proceso de relleno con un caudal de 0,014 l/s produce un equilibrio significativo, dentro de un cierto periodo medio de tiempo el segundo debe detectar la reducción del nivel del hervidor. Si no ocurre debido a un funcionamiento anormal, la CPU 11 tiene que señalizar apropiadamente el problema, a través de los interfaces de salida adecuados (pantalla, alarmas sonoras, etc.), y tiene que desactivar las órdenes que puedan conducir a situaciones de mal funcionamiento.

En este caso la máquina pasaría al estado A.

- Si el transductor 4 detecta una reducción en la presión del hervidor por debajo del umbral mínimo de eficiencia para la dispensación de vapor, por ejemplo 1 bar, la CPU desactiva la orden de rellenar (la máquina pasa al estado H de la figura 5), para reactivarlo (y volver al estado WR&H de la figura 5) solo cuando la presión de nuevo ha llegado al umbral superior de eficiencia HP, por ejemplo 1,2 bar.

De este modo, se evita que la entrada de agua fría en una sola solución, absorba en exceso el calor producido por las resistencias de calentamiento, provocando un fallo en la presión que descartaría una posible dispensación de vapor. La atmósfera interna del hervidor permanece siempre dispuesta para responder eficientemente a las necesidades de los dispensadores, de agua o de vapor, subordinadas a la única condición de que el nivel de agua en el hervidor no caiga por debajo de Lm.

- además, en este caso la CPU mantiene una vigilancia de las posibles operaciones anormales, llevando a cabo una desconexión de seguridad, por ejemplo de 5 minutos, después de la cual la presión debe de cualquier modo elevarse hasta valores de funcionamiento normales, y el relleno debe completarse.

Para apreciar del todo las ventajas de la invención, las figuras 6, 7, 8 muestran conjuntamente un diagrama temporal, para una comparación inmediata del comportamiento de una máquina convencional, como la de la figura 1, y la de una máquina como la de la figura 4, que tiene las mismas características técnicas, ya especificadas, pero controladas de una forma inteligente de acuerdo con la invención.

Se asume que la presión de intervención del transductor de presión/temperatura es HP = LP = 1,05 bar, correspondiente a unos 120ºC, y que el nivel de intervención es LL = HL, correspondiente a un volumen líquido de
2,85 l.

Supongamos que en el momento inicial, con una presión relativa en el hervidor de 1,2 bar, y una temperatura de 123ºC, un operador ordena la distribución de 1 litro de agua caliente, para hacer una serie de tés y, después de 1 minuto, un segundo operador empieza a llevar a cabo el calentamiento de 0,5 litros de leche, para preparar unos capuchinos.

Para calentar 0,5 l de leche desde la temperatura de refrigerador (5ºC) hasta 80ºC, es necesario proporcionar a la leche (calor específico de aproximadamente 1 Cal/kgºC) 37,5 Cal (es decir, 4,18 \cdot 37,5 kJ) en forma de calor de condensación de vapor.

En la figura 6 los diagramas I y II representan, por orden, la temperatura del agua en el hervidor, y la correspondiente presión del vapor con el tiempo (eje X) en segundos, respectivamente, en el caso de control convencional y en el caso de control inteligente, de acuerdo con la presente invención.

Los diagramas WD, SD, WR, H de la figura 7 representan, en la misma escala de tiempo de la figura 6, el estado activo, respectivamente, de dispensación de agua caliente (WD), dispensación de vapor (SD), relleno de agua (WR), y calentamiento (H), en el caso de control convencional.

Los diagramas WD, SD, WR, H de la figura 8 representan, en la misma escala de tiempo de la figura 6, el estado activo, respectivamente de dispensación de agua caliente (WD), dispensación de vapor (SD), relleno de agua (WR) y calentamiento (H), en el caso de control de acuerdo con el presente invención.

Con un caudal de dispensación de agua de 0,033 l/s, la dispensación de un litro tiene lugar en 30 segundos, en ambos casos, comenzando desde el momento inicial t0.

Con un flujo de vapor igual a 1,3 Cal/s (4,18 \cdot 1,3 kJ), como sería generalmente en condiciones normales de presión relativa entre 1 y 1,2 bar, el tiempo necesario para calentar medio libro de leche sería 35 s, pero aquí hay diferencias sustanciales en el comportamiento.

Examinemos primero el comportamiento del sistema, en el caso de control convencional:

a) por efecto de la dispensación, después de unos 5 s el volumen de líquido en el hervidor se reduce a 2,85 l,

b) en el momento t1, 15 s después del inicio de la dispensación de agua fría, y 10 s después de haberse alcanzado el umbral de 2,85 l, el transductor de nivel 3 activa el relleno con agua fría, por ejemplo a 23ºC, y el agua en el hervidor empieza a enfriarse, debido a que se ha traído agua fría.

Puesto que el caudal de relleno de es 0,014 l/s, se necesita unos 70 segundos para rellenar el hervidor con un litro de agua, y para restablecer el nivel inicial.

c) en el momento t2, 20 s después del momento inicial, 0,66 l de agua caliente han salido, y han entrado 0,07 l de agua.

d) en el momento t3, 10 s después del momento t2 debido al retardo en la respuesta del transductor, el enfriamiento provocado por el agua fría a su entrada, es detectado por el transductor 4, y se determina, a través de la CPU, la activación del calentamiento.

La temperatura del agua y la correspondiente presión en el hervidor pueden calcularse, momento a momento, teniendo en cuenta el contenido térmico inicial del hervidor, en referencia a una temperatura arbitraria, por ejemplo 23ºC, la cantidad de calor sustraído o añadido con las diferentes operaciones (dispensación, relleno, calentamiento) y la cantidad, variable en el tiempo, del líquido más el vapor en el que el contenido del hervidor, también variable en el tiempo, se distribuye.

Las variaciones en volumen y contenido térmico del vapor, pueden ser ignoradas, puesto que tienen efectos secundarios tras el balance térmico.

Sin sumergirnos en los cálculos, debe observarse, a partir del diagrama I, que el en momento t2 la temperatura en el hervidor es 120ºC, y se corresponde con el umbral de intervención del transductor 4.

En el momento t3, cuando comienza el calentamiento (y se ha completado la dispensación), la temperatura ya ha caído hasta aproximadamente 115ºC, y además en la etapa siguiente sigue cayendo.

En el momento t5 (60 s después del inicio), cuando un segundo operador arranca la dispensación de vapor, la temperatura ha caído ya hasta unos 111ºC, como puede verse del balance térmico, y sigue cayendo para al traerse más agua fría y por efecto de la dispensación de vapor, que resta más contenido térmico al hervidor.

En el momento t6 (85 s después del inicio), cuando se ha completado la reposición de agua, la temperatura a caído ya hasta unos 105ºC.

Temperaturas de 111ºC y 105ºC corresponden a una presión relativa de aproximadamente 0,5 y 0,25 bar respectivamente.

En estas condiciones, el caudal del dispensador de vapor es mínimo, y está entre 0,2 y 0,5 Cal/s (0,2 - 0,5 \cdot 18 kJ).

Solo desde el momento t6, cuando el calentamiento térmico aportado excede la sustracción de calor como consecuencia de la dispensación de vapor, y no hay más enfriamiento provocado por la entrada de agua fría, la temperatura y la presión empiezan a crecer según leyes no lineales (logarítmicas).

En la práctica, puede encontrarse experimentalmente y calcularse analíticamente que, para completar el calentamiento de la leche, es necesario mantener la dispensación de vapor activa durante 70 s, hasta el momento t10 = 130 s desde el inicio.

En este momento, la temperatura en el hervidor es de unos 114ºC y, para restablecer la condiciones térmicas iniciales, es necesario mantener en activo el calentamiento durante aproximadamente otros 25 s, hasta el momento t12.

De hecho, la temperatura umbral de 120ºC se alcanza un poco antes, en el momento t11 (unos 147 s después del inicio) y, por la inercia del transductor, el calentamiento se interrumpe en el momento t12, 157 s después del inicio, cuando la temperatura del agua es ligeramente mayor que 123ºC (aproximadamente 123,5ºC).

Básicamente el proceso necesita 2 minutos y 35 - 37 segundos para llegar al final, y el calentamiento de leche necesita una cantidad de tiempo sustancial (70 s).

Esto se debe al colapso térmico de hervidor.

En el caso del control inteligente representado por el diagrama II, el comportamiento del hervidor es completamente diferente.

La CPU reconoce de inmediato la activación de la orden de relleno del hervidor, con el proceso de dispensación, sin esperar a la señal del transductor 3.

En el mismo momento se activa el hervidor, sin esperar a la señal del transductor 4.

Por motivos de seguridad, la CPU debe seguir vigilando el estado de los transductores 3 y 4 que, en cualquier caso, deben señalizar la falta de agua y/o condiciones de presión anómala, dentro de un periodo de seguridad definido.

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Puesto que el efecto de calentamiento térmico no compensa el efecto de enfriamiento debido a la entrada de agua fría, la temperatura en el hervidor cae linealmente, y en el momento t2 es igual a 120ºC, que corresponden a la temperatura umbral de intervención.

Con un retardo de 10 s, es decir en el momento t3, esta temperatura es detectada por el transductor 4 y es transmitida a la CPU que, para no hacer que caiga más la presión/temperatura, detiene el proceso de relleno, manteniendo activo el calentamiento.

Mientras tanto, la temperatura ha caído ya hasta unos 118,5ºC.

Desde el momento t3, la temperatura en el generador de vapor crece, y en el momento t4, aproximadamente 34 s después del inicio, excede el nivel umbral de 120ºC.

10 s después, debido al retardo del transductor, la CPU reconoce el restablecimiento de la condiciones normales, y reactiva la operación de relleno de agua. Mientras tanto, la temperatura en el generador de vapor se ha elevado más, hasta unos 124ºC.

En el momento t5, 60 s después del inicio, se tiene el siguiente balance de agua (A) y térmico (B) (con referencia a la temperatura de 23ºC):

A)

salida de agua caliente: 1 litro

entrada de agua fría: 0,014 \cdot (30 + 16) = 0,63 litros

líquido en el generador de vapor: 2,63 litros

B)

contenido térmico inicial: 300 kCal (4,18 \cdot 300 kJ)

calor extraído mediante dispensación: 100 Cal (4,18 \cdot 100 kJ)

calor de entrada: 1,075 \cdot 60 = 64,5 Cal

contenido térmico final: 264,5 Cal (4,18 \cdot 264,5 kJ)

Este contenido térmico distribuido en 2,63 litros determina un sobrecalentamiento, en relación con los 23ºC, igual a aproximadamente 100ºC, de forma que la temperatura real del agua en el generador de vapor es 123ºC.

En este punto, el segundo operador empieza a calentar la leche.

La dispensación de vapor tiene lugar con una presión óptima en el generador de vapor, que inicialmente corresponde a un caudal de vapor, expresado en calorías/seg., igual a aproximadamente 1,3 Cal/s (5,44 kW), por tanto mayor que la potencia de calentamiento instalada.

Después la CPU suspende el proceso de relleno de agua fría, durante todo el tiempo durante el cual está en progreso por lo tanto, manteniendo activo el calentamiento.

En el momento t7, unos 31 s después, el proceso de dispensación de vapor finaliza y la temperatura en el generador de vapor es de unos 122ºC, como puede calcularse fácilmente.

Puesto que la temperatura es mayor que la del umbral, la CPU reactiva el proceso de restitución de agua en el generador de vapor, y la temperatura comienza a caer de nuevo.

En el momento t8, 14 s después, se ha alcanzado la temperatura umbral, y se ha cargado 0,014 \cdot (30 + 16 + 14) = 0,9 litros de agua.

En el momento t9, después de otros 10 s (debidos a la respuesta usualmente retardada del transductor), durante el curso de los cuales la temperatura cae hasta aproximadamente 119ºC, y el relleno de agua llega a su término, la CPU suspende el relleno de agua si no se ha completado, manteniendo aún activo el calentamiento.

La temperatura umbral se rebasa de nuevo y, con la histéresis debida al transductor, en un momento t10 que se fija en unos 130 s desde el inicio, la CPU detiene el proceso de calentamiento y va al estado inactivo esperando nuevas órdenes.

La duración del ciclo fue de 2 minutos y 10 segundos, por lo tanto más corto que el caso previo, y el calentamiento de la leche se llevó a cabo en solo 31 segundos, con la máquina aun en condiciones de trabajo normales, y siendo capaz de ofrecer simultáneamente otros servicios a las operaciones llevadas a cabo, como dispensación de cafés, con resultados que pueden repetirse, debido a que no están influidos por variaciones de temperatura apreciables.

En relación con esto, es adecuado subrayar que el circuito lógico de control descrito con referencia a un generador de vapor como el de la figura 4A, también tiene un uso ventajoso en el caso de una máquina para bebidas calientes en la que la dispensación de café tenga lugar desde uno o más calentadores auxiliares, calentado cada uno por medio de su elemento calentador.

La figura 9 representa un diagrama de bloques de una máquina de este tipo.

Junto a los componentes de la figura 4, en la figura 9, identificada con los mismos números de referencia de la figura 4, la máquina de la figura 9 comprende por lo menos un calentador auxiliar 13 (preferentemente dos), para calentar el agua necesaria para preparar café.

Típicamente, la capacidad del calentador es 0,9 l.

El calentador 13 está equipado con un transductor de temperatura 14 que tiene, típicamente, un retardo de respuesta de 10 segundos, con un dispositivo de dispensación de café 10, con un elemento de calentamiento 15 con una potencia de 1,5 kW, suministrados a través de un dispositivo conmutador 17.

La entrada de agua en el calentador tiene lugar automáticamente, por depresión en el calentador, en concurrencia con la dispensación.

Además en este caso, en lugar de dejar la activación del calentamiento a la detección de una temperatura menor que el umbral, con el consiguiente retardo de la intervención, es posible, por medio de la CPU, activar el calentamiento cada vez que tiene lugar una dispensación, posiblemente subordinando la activación del calentamiento, a la condición de que la temperatura en el calentador sea menor que un umbral superior.

Así, se pone a cero los retardos de la intervención, y se asegura una mayor consistencia térmica.

Además la CPU, si la máquina está en estado de calentamiento H del generador de vapor, inmediatamente antes de ordenar la activación del elemento calentador del calentador auxiliar 13, puede controlar la potencia absorbida por el generador de vapor excluyendo uno, o más, elementos calentadores 7A, 7B, 7C de este, para limitar la potencia eléctrica acumulativa absorbida a un valor predeterminado.

Solo cuando el elemento calentador del calentador auxiliar 13, o los calentadores, si hay más de uno, están desactivados, la CPU vuelve a la orden de calentar el generador de vapor 1 a plena potencia.

Esta claro que, independientemente de la dispensación de agua por el calentador 13, por efecto de las inevitables dispersiones térmicas, el transductor 14 puede detectar una temperatura del calentador que es menor que un valor umbral inferior predeterminado.

Además en este caso, en lugar de activar directamente el dispositivo conmutador 17, el transductor 17 envía la información a la CPU que, antes de activar el elemento calentador 15, verifica el estado activo/inactivo de los diferentes elementos de calentamiento 7A, 7B, 7C del hervidor.

Si todos los elementos de calentamiento están activos, uno de estos es desactivado e, inmediatamente después, se desactiva el elemento de calentamiento 15 del calentador auxiliar 13.

Solo cuando el elemento calentador 15 es desactivado, tras la señal del transductor de temperatura 14 de que se ha alcanzado el umbral superior de temperatura, se pone a plena potencia el calentamiento en el hervidor, si sigue siendo necesario.

Del mismo modo, antes de activar el calentamiento en el hervidor a plena potencia, la CPU 11 verifica que el elemento calentador 15 no está activo.

La descripción previa se ha referido al caso específico en el que la inercia de los sensores de nivel y presión/tempera- tura, empeoran los inconvenientes del colapso térmico.

Sin embargo, está claro que también hay inconvenientes usando de sensores con un tiempo de respuesta muy corto o intermedio. Sin duda, junto a la inercia de los sensores, se debe al desequilibrio térmico entre la potencia de calentamiento, y picos en la carga térmica que se está dispensando.

Claims (3)

1. Una máquina para producir agua caliente, vapor, y bebidas calientes, del tipo que comprende un hervidor de acumulación de vapor saturado (1), una lanza de dispensación de vapor (9), un dispensador de agua caliente (8), un primer transductor (3) para controlar el nivel de agua en el hervidor, un segundo transductor (4) para controlar un parámetro de presión/temperatura en el hervidor, por lo menos un elemento calentador (7) del agua en el hervidor, un dispositivo de relleno (5) de agua en el hervidor, un dispositivo de mando (6) del elemento calentador, un sistema de control (11, 12) con una unidad central de proceso (12) que, en respuesta a la activación de la operación de dispensación de agua caliente, activa inmediatamente el mencionado dispositivo de mando (6) del elemento calentador (7) y, si el parámetro de temperatura/presión del hervidor, controlado por el mencionado segundo transductor (4), es mayor que un valor umbral inferior predeterminado (LP), activa además el mencionado dispositivo de relleno (5), manteniéndolo activo en los intervalos temporales en los que el parámetro de temperatura/presión en el hervidor, controlado por el mencionado segundo transductor (4), es mayor que el mencionado valor umbral inferior (LP), hasta la restitución de un nivel elevado (HL) de agua en el hervidor, reconocido por el mencionado primer transductor (3), y desactiva el mencionado dispositivo de mando (6) del elemento calentador (7), solo cuando el nivel de agua en el hervidor ha sido restablecido y la presión/temperatura del hervidor, controlada por el mencionado segundo transductor (4), excede un valor umbral superior predeterminado (HP),

caracterizada porque el mencionado sistema de control, en respuesta a la activación de una operación de dispensación de vapor, activa inmediatamente el mencionado dispositivo de mando (6) del elemento calentador (7), y porque el mencionado sistema de control, en respuesta a la activación de una operación de dispensación de vapor cuando el mencionado dispositivo de relleno (5) está activo, desactiva inmediatamente el mencionado dispositivo de relleno (5), y lo mantiene inactivo durante todo el tiempo en que está en progreso la dispensación de vapor.

2. Una máquina acorde con la reivindicación 1, en la que el mencionado valor umbral superior (HP) es igual al mencionado valor umbral inferior (LP).

3. Una máquina acorde con las reivindicaciones 1 y 2, que comprende, además, una pluralidad de elementos calentadores (7A, 7B, 7C) del agua del hervidor y, por lo menos, un calentador de agua auxiliar (13), equipado con un dispensador de agua (10), con un transductor de temperatura (14), con un elemento calentador (15) y con un dispositivo de mando (17) del elemento calentador (15), en la que el mencionado sistema de control subordina la activación conjunta de todos los elementos calentadores (7A, 7B, 7C) del agua del hervidor (1), a la condición de que el elemento calentador (15) del calentador auxiliar (13) esté inactivo, y deshecha la activación de, por lo menos, uno de los elementos calentadores del agua del hervidor, si se necesita la activación del elemento calentador del calentador auxiliar.