Tesi: micropiano cottura a induzione

Dario Schiavon I tesi di laurea a.a. 2006-2007 Relatore: Dott. Arch. Marco Zito

MICROPIANO DI COTTURA A INDUZIONE

laurea specialistica in disegno industriale del prodotto presso la facoltĂ di Design e Arti IUAV

Dario Schiavon (matricola 253655) Tesi di laurea specialistica in disegno industriale del prodotto presso la facoltĂ di Design e Arti IUAV Istituto Universitario Architettura Venezia Relatore: Dott. Arch. Marco Zito a.a. 2006-2007

Stato dell’arte 05

introduzione: l’impronta ecologica risparmio energetico la passivhaus

11

metodi di cottura tradizionali

13

piani di cottura attuali

15

elottromagnetismo

17

induzione elettromagnetica applicazioni industriali dell’induzione applicazioni domestiche dell’induzione

Il progetto 21

perché un nuovo sistema a induzione grafici di accettazione delle pentole

24

idea progettuale

25

modelli di riferimento kalura - alessi wok - electrolux chef - whirpool

27

mapping sistemi di cottura sistemi a induzione intefaccia utente-macchina

31

studio della forma

32

tecnologia induzione applicata

34

interfaccia

38

finiture e materiali ceramiche polimeri acciaio riscaldatori induttori

Appendice 44

rendering

49

esecutivi tecnici quotati

81

fonti

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Tesi di laurea: MICROPIANO DI COTTURA A INDUZIONE

Dario Schiavon Stato dell’arte

rel. dott. arch. Marco Zito

05

Introduzione Le statistiche ci dicono che l’inquinamento globale sta aumentando in maniera vertiginosa.

Se non si interromperà il trend attuale di emissione di CO2 si prospetta un aumento dello stesso di almeno il 60% nei prossimi 20 anni, dovuto soprattutto allo sviluppo dell’est asiatico che prospetta di usare notevoli quantità di carbone per soddisfare l’esplosivo bisogno di energia dell’economia crescente.

Questa previsione è dovuta a 2 fattori: 1) L’esigenza di beni e servizi per l’uomo occidentale del XXI secolo non ha precedenti nella storia, ed è proprio sull’aumento costante dei consumi che si fonda lo stato di salute delle economie.

2) Ogni attività umana, dalla grande scala della produzione industriale alla microscala individuale delle piccole attività quotidiane, rilascia sostanze chimiche che prima o poi confluiscono nella grande discarica che è la biosfera.

Se abbiniamo queste due considerazioni emerge chiaro il fatto che gli uomini, sia per la crescita numerica che per la crescita delle loro esigenze, col tempo sembrano destinati ad esercitare un impatto sempre più aggressivo nei confronti dell’ambiente.

Quest’ultimo rappresenta il volto scomodo dello sviluppo; se l’Umanità fosse in grado di imparare dai propri errori, oggi i paesi emergenti si avvierebbero lungo “percorsi puliti” di sviluppo, e non si limiterebbero a ripercorrere le esperienze discutibili delle società opulente dell’ultimo cinquantennio, con il relativo carico ambientale. Purtroppo i percorsi virtuosi sono anche quelli più costosi ed oggi, per tre miliardi di indiani e cinesi, la cosa più importante è accelerare al massimo lo sviluppo senza perdere tempo e danaro in attenzioni particolari per le conseguenze ambientali e sanitarie. L’adozione dell’industrializzazione, come via più breve a un rapido sviluppo economico, porta con sé il trasferimento in grande scala, dai Paesi più sviluppati, di tecnologie spesso superate e sporche.

L’uomo del XXI secolo, Homo faber o meglio Homo technologicus , con esagerato senso di onnipotenza per le straordinarie opportunità offerte dalle nuove tecnologie, è oggi in grado di risolvere problemi attuali veramente complessi, ma temporanei e marginali, mentre è ancora molto imprevidente nell’affrontare i problemi differiti nello spazio e nel tempo come l’inquinamento, dal livello locale al livello planetario. pavimento è il piano su cui si propaga l’onda, la parete verticale il campo magnetico, o elettrico, e l’altra parete la superficie su cui si propaga l’altro dei due. Quando si studia il comportamento di un’onda bisogna sempre relazionarla al mezzo nel quale si propaga.

Si definisce mezzo senza perdite un materiale nel quale la resistenza che l’onda incontra nel penetrarlo dipende soltanto dalla permeabilità elettromagnetica di quest’ultimo. In mezzi di questo genere abbiamo che il flusso del vettore di Poynting, dato dal prodotto vettoriale tra i campi, equivale alla potenza elettomagnetica che esce dal volume considerato.

Si definisce invece mezzo con perdite quello in cui l’onda incontra una resistenza dipendente,oltre che dalle prima citate permeabilità, anche dalla “sigma”, cioè la conducibilità, e dalla pulsazione caratteristica “omega”, dipendente dalla frequenza.

Abbiamo in fine mezzi dispersivi, caratterizzati da una frequenza propria; per propagarsi l’onda deve avere una frequenza superiore a quella relativa al mezzo. Il plasma, presente nella ionosfera, è un mezzo dispersivo e quindi per poter effettuare comunicazioni attraverso onde elettromagnetiche in quella regione dobbiamo inviare onde con frequenza superiore a 9 MHz. La potenza attiva che le sorgenti forniscono al sistema corrisponde al flusso del vettore di Poynting attraverso la superficie delimitante il volume considerato.

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07

L’impronta ecologica L’impronta ecologica è uno strumento statistico studiato per valutare l’impatto ambientale dei consumi. Il concetto principale è che ogni bene o attività umana comporta dei costi ambientali -ovvero prelievi di risorse naturali- quantificabili in termini di metri quadri o ettari di superficie. A seconda del tipo di consumo si farà riferimento a un tipo di superficie piuttosto che a un altro.

Confrontando l’impronta di un individuo -o regione o statocon la quantità di terra disponibile pro-capite -cioè il rapporto tra superficie totale e popolazione mondiale- si può capire se il livello di consumi del campione è sostenibile o meno.

L’intera superficie delle terre emerse è composta all’incirca da: • foreste ed aree boschive (33%) • pascoli permanenti (23%) • terra arabile (10%) • terra edificata (2%) • altri suoli: ghiacciai, rocce, deserti, eccetera (32%) Per calcolare l’impronta relativa ad un set di consumi si mettono in relazione la quantità di ogni bene consumato (es. grano, riso, mais, cereali, carni, frutta, verdura, radici e tuberi, legumi, ecc..) con una costante di rendimento espressa in kg/ha -chilogrammi per ogni ettaro-. Il risultato è una superficie.

Per calcolare l’impatto dei consumi di energia, questa viene convertita in tonnellate di carbonio equivalenti, ed il calcolo viene effettuato considerando la quantità di terra forestata ne-

cessaria per assorbire le tonnellate di carbonio suddette.

Da alcuni studi effettuati sia su scala mondiale, sia su alcuni paesi, emerge che l’impronta mondiale è leggermente maggiore della capacità bioproduttiva mondiale. Secondo Mathis Wackernagel, l’umanità usava il 70% della capacità globale della biosfera nel 1961, ma è arrivata al 120% nel 1999.

Ciò significa che stiamo consumando più risorse rinnovabili di quanto potremmo, cioè che stiamo intaccando il capitale naturale e che nel futuro potremo disporre di meno materie prime per i nostri consumi.

Di seguito i dati, del 1995, relativamente ad alcuni stati. Per ogni paese è riportata l’impronta pro-capite. Il dato va raffrontato con la biocapacità media mondiale che è di 1,9 ettari procapite.

• Argentina 3,0 • Australia 9,4 • Austria 9,6 • Cina 1,4 • Egitto 1,4 • Etiopia 0,7 • Francia 5,3 • India 1,0 • Spagna 3,8 • Stati Uniti 9,6 • Svezia 6,1 • Mondo 2,2

L’impronta ecologica dell’italiano medio, pur con notevoli differenze tra zona e zona, è di 3,11 ettari -2,21 ettari di ecosistemi produttivi terrestri e 0,9 ettari di ecosistemi produttivi marini-, pari a circa a un quadrato di 200 metri di lato, mentre la disponibilità è valutata tra 0,82 e 1 ettaro pro-capite.

Consumiamo dunque più del triplo di quello che ci spetterebbe, e il deficit, come tutti i paesi ricchi, lo colmiamo in gran parte importando risorse a basso costo dal Terzo mondo.

Ecco perché è così utile costringerlo a stare sul mercato mondiale mantenendolo però nella miseria, intrappolato dal debito e privo di qualsiasi potere contrattuale.

Come se non bastasse, i nostri consumi sono in crescita: un italiano medio produce 398 chili di rifiuti all’anno e quasi il doppio di CO2 rispetto alla media mondiale dieci volte più di un indiano; consuma 150 chili di carta all’anno quattro volte più della media mondiale, 75 volte più di un indiano; tre volte più combustibili fossili rispetto alla media mondiale e 23 volte più di un indiano. Possediamo un’auto ogni due individui (una ogni dieci la media mondiale, una ogni 500 quella indiana).

Per diventare ecologicamente sostenibili - e un po’ più equidovremmo ridurre i nostri consumi del 75%. Anche perché -sarebbe ovvio, ma è bene sottolinearlo- per ogni persona che, come noi italiani, consuma tre volte più di quello che le spetta c’è qualcun altro, magari dall’altra parte del mondo, che deve accontentarsi di un terzo.

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Stato dell’arte

Il risparmio energetico IMPRONTA ECOLOGICA DEGLI ITALIANI (ettari pro-capite) Categorie di consumo

Terra per Terre Pascoli Foreste assorbire agricole CO2

Superficie edificata

Mare

TOTALE

Alimenti

0,15

0.26

0,55

0,03

0,90

1,89

Abitazioni e infrastrutture

0,26

0,13

0,04

0,43

Trasporti

0,36

0,02

0,38

Beni di consumo

0,20

0,01

0,07

0,28

Servizi

0,13

0,13

TOTALE

1,10

0,27

0,55

0,23

0,06

0,90

3,11

Tabella tratta da: http://www.worldsocialagenda.org/archivio/07%20Impronta%20ecologica.htm

Con “risparmio energetico” si indica quell’area di interventi sui sistemi energetici, impianti, strutture, componenti, materiali, che portano alla riduzione del consumo di energia.

Un investimento fatto per risparmiare energia si ripaga entro qualche mese o qualche anno come si diceva in precedenza.

Il minore consumo di energia consente la riduzione dei costi di gestione (riduzione della bolletta energetica annuale). Da evidenziare che negli interventi di risparmio energetico dove si riducono le quantità di energia primaria di origine fossile (petrolio e derivati, Gpl e gas naturale, carbone e derivati) è anche possibile ridurre l’impatto sull’ambiente evitando l’emissione di CO2 ed inquinanti vari. È per questo motivo che il risparmio energetico è assimilabile all’utilizzo di una fonte di energia rinnovabile.

Il risparmio energetico è una considerevole fonte di energia rinnovabile “virtuale”, è anche la più immediata e accessibile a tutti. È possibile attuare un risparmio energetico con investimenti minimi, anche di poche centinaia di euro,e risultati semplici ed efficaci come ad esempio isolare i cassonetti e la nicchia dove sono installati i radiatori.

Fondamentalmente è possibile intervenire a tre livelli per razionalizzare ed ottimizzare la filiera energetica e ridurne conseguentemente l’impatto ambientale: • all’atto del prelievo (pozzi petroliferi, miniere, dighe, aeromotori, etc); • in fase di conversione in vettore energetico (le fonti primarie, come i combustibili e l’energia solare, vanno trasformate in elettricità o in combustibili raffinati per consentirne il trasporto all’utenza e l’utilizzo); • al momento dell’utilizzazione (mezzi di trasporto, elettrodomestici, riscaldamento, processi industriali, etc)

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La Passivhaus La casa passiva (passivhaus secondo il termine originale di lingua tedesca, passive house in lingua inglese) è un’abitazione che assicura il benessere termico senza alcun impianto di riscaldamento “convenzionale”, ossia caldaia e termosifoni o sistemi analoghi.

La casa è detta passiva perché la somma degli apporti passivi di calore dell’irraggiamento solare trasmessi dalle finestre e il calore generato internamente all’edificio da elettrodomestici e dagli occupanti stessi, sono quasi sufficienti a compensare le perdite dell’involucro durante la stagione fredda. Questo tipo di costruzioni viene generalmente realizzato con legno strutturale, che è un isolante naturale. L’energia necessaria a pareggiare il bilancio termico dell’edificio è tipicamente fornita con sistemi non convenzionali (es. pannelli solari, pompa di calore).

L’impianto di riscaldamento convenzionale si può eliminare se il fabbisogno energetico della casa è molto basso, circa 15 KWh al m² anno. Queste prestazioni si ottengono con una progettazione molto attenta, specie nei riguardi del sole, con l’adozione di isolamento termico ad altissime prestazioni su murature perimetrali, tetto e superfici vetrate, e mediante l’adozione di sistemi di ventilazione controllata a recupero energetico.

Nelle costruzioni tradizionali (Massivbau) é sufficiente un opportuno strato di intonaco per ottenere l’ermeticità della parete.

Per le parti più critiche come finestre e porte esistono prodotti standard come Anputz (“Apu”)-Leisten e überputzbare Anschlussbänder a disposizione, che realizzano in maniera semplice l’ermeticità. Anche per la realizzazione dell’ermeticità delle prese elettriche esiste un metodo collaudato: praticare l’incavo di 5 mm di diametro e incassare una normale scatola di derivazione con i cavi già cablati, oppure impiegare apposite scatole di derivazione che sono ermetiche facilmente reperibili sul mercato.

Neanche per le “costruzioni leggere” (Leichtbau) come ad esempio le case in legno l’ermeticità si rivela un problema perché esistono collaudati sistemi. Attraverso un’attenta realizzazione dell’“involucro edilizio” si possono evitare possibile deteriora-

menti/danni come condensa e muffe. Genere non viene utilizzato un impianto di riscaldamento tradizionale. Esiste almeno una fonte di calore, e la distribuzione del calore avviene nella maggior parte dei casi attraverso un sistema di ventilazione controllata con scambiatori a flusso incrociato che recuperano 80% del calore dell’aria in uscita. I termosifoni e le superfici irradianti non sono necessari ma possono essere di dimensioni ridotte. Per realizzare l’indispensabile cambio d’aria dovuto a ragioni igieniche e al medesimo tempo perdere il minor quantitativo possibile di energia, è previsto un impianto di ventilazione con recupero di calore alimentato con motore ad alta efficienza (potenza richiesta nell’ordine dei 40W). L’aria calda in uscita viene convogliata verso uno scambiatore a flusso, dove l’aria fredda in ingresso riceverà dall’80% sino al 90% del calore. L’aria di alimentazione viene così riconvogliata verso la casa (soggiorno e camere da letto). Il flusso d’aria esterno prima di raggiungere lo scambiatore di calore in alcuni edifici è convogliato attraverso un pompa di calore geotermica. Tipicamente le tubazioni hanno le seguenti caratteristiche: ~20cm di diametro, ~40m di lunghezza e una profondità di ~1,5m. L’impianto di ventilazione è posato in modo tale che nessuna corrente d’aria risulta percepibile. Questo permette di avere un flusso d’aria d’alimentazione ridotto (è sufficiente un po’ d’aria fresca in ingresso, l’impianto di aria condizionata non serve). Un impianto di ventilazione è indispensabile in una casa passiva, poiché se si utilizzasse l’aerazione attraverso le finestre il desiderato risparmio energetico insieme con la qualità dell’aria non sarebbe mai possibile. Gli impianti di ventilazione delle case passive sono silenziosi e altamente efficienti (dal 75% al 95% del calore recuperato). Questi impianti necessitano di poca energia elettrica circa 40-50 Watt anche se possono causare il problema dell’aria troppo secca. Questo problema si manifesta quando il ricambio dell’aria non é stato correttamente dimensionato.

Il rimanente piccolo fabbisogno energetico può essere prodotto

per esempio con una piccola pompa di calore . Esistono impianti aggregati (Packaged building services units in inglese, Kompaktaggregate in tedesco), i quali sono una combinazione di un impianto di ventilazione ed una pompa di calore. In questo modo è possibile riscaldare nuovamente l’“aria di alimentazione” necessaria per il riscaldamento. La stessa pompa di calore potrebbe riscaldare anche l’acqua. Una combinazione di riscaldamento, impianto di ventilazione, impianto per l’acqua calda è offerto da impianti compatti. Essi necessitano di una superficie di ingombro ridotta e consumano una modesta quantità di energia elettrica. Una caldaia a pellets (o stufa; in Germania esistono delle caldaie vere e proprie) con un collettore d’acqua può produrre la rimanente quantità d’energia necessaria; una stufa può bastare per un’intera villetta. Stufe tradizionali hanno persino delle prestazioni troppo elevate in rapporto alle necessità. L’irradiazione d’aria non deve essere eccessiva (max 20%), in modo che il locale caldaia non venga riscaldato inutilmente. Un impianto ad energia solare può essere utilizzato sia per scaldare l’acqua che come compendio al sistema di riscaldamento.

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Metodi di cottura tradizionali Per analizzare la tecnologia attuale in campo culinario, è necessario fare una distinzione dei metodi di cottura.

1) Per coagulazione e colorazione della superficie dell’alimento.

Lo scopo della cottura per coagulazione e colorazione è creare una “crosta” esterna che si forma per effetto del calore, coagulando le proteine esterne; così facendo impedisce la fuoriuscita degli elementi nutritivi che altrimenti andrebbero persi. Il calore sigilla i pori formando uno strato protettivo. La cottura poi prosegue a calore moderato per permettere allo stesso di entrare lentamente nell’alimento.

2) Per scambio di elementi aromatici.

Lo scopo di questa cottura è di provocare uno scambio di liquidi ed elementi aromatici tra l’interno e l’esterno dell’alimento.

Un esempio è la cottura del bollito che, per evitare il processo di dispersione di succhi, si avrà l’accortezza di immergere nel brodo bollente provocando così un processo simile a quello precedente ma in ogni caso meno intenso.

3) Cottura al vapore.

In Europa la cottura al vapore è poco diffusa. Eppure è facile da fare, richiede più o meno lo stesso tempo di cotture molto usate, come la bollitura e preserva profondamente il gusto del cibo. È certamente il metodo più indicato per le verdure, ma anche per il pesce e le carni consentite.

Il procedimento consiste nel portare ad ebollizione una quantità d’acqua che è posta al di sotto di un cestello. Appena l’acqua inizia a bollire, viene posto l’alimento nel cestello e la pentola coperta per evitare perdite di calore.

4) Cottura a microonde.

Avviene per mezzo di onde elettromagnetiche, che modificano un campo magnetico agendo sull’oscillazione delle particelle d’acqua presenti negli alimenti. Il movimento che si provoca tramite quest’oscillazione determina il riscaldamento delle stesse. La caratteristica delle microonde è di riscaldare e cuocere i cibi, senza passare il calore ai contenitori che li contengono.

5) Il brasato o stufato.

Il brasato è la cottura di carni o verdure con partenza da freddo, in poco liquido di cottura (può essere vino o brodo vegetale) e fuoco molto basso. Un tempo si faceva in recipienti di terracotta sulle braci, al margine del camino o negli angoli meno caldi delle grandi stufe. Spesso gli alimenti -soprattutto le carni- vengono fatti insaporire prima per molte ore nel vino aromatizzato con verdure.

Nel brasato i succhi persi nella cottura vengono recuperati nella salsa che lo accompagna.

6) La pentola a pressione La pentola a pressione è comoda, soprattutto per gli alimenti a lunga cottura, legumi e cereali. Ad oggi, con la vita sempre più assorbita da mille occupazioni, appare come la soluzione ideale per velocizzare i tempi di cucina.

Ma è valida sul piano della salute? Rispetta la qualità biologica dei cibi? È difficile dare una risposta univoca. La pentola a pressione ha vantaggi e svantaggi, è positiva per alcuni tipi di nutrienti e negativa per altri. Vediamo più concretamente i vari aspetti.

Per i cereali la pentola è senz’altro positiva. Non solo

non danneggia le qualità del cibo, ma ne migliora l’assimilabilità. Questo risultato che, entro certi limiti, è proporzionale alla temperatura di cottura, è stato attribuito al rilascio di granuli di amido dalla matrice della proteina che li rende più suscettibili alla digestione enzimatica.

Il comportamento dell’amido in acqua dipende sia dalla temperatura che dalla concentrazione. L’amido dei cereali in generale mostra un livello molto basso di assorbimento di acqua a temperatura ambiente e anche la sua capacità di dilatazione è abbastanza limitata.

A temperature più alte l’assorbimento di acqua aumenta e i granuli di amido sono frantumati; questo porta alla solubilizzazione dell’amilosio e dell’amilopectina fino a formare una soluzione colloidale. Questo è lo stadio della gelatinizzazione.

• Per i legumi vi sono considerazioni analoghe, anche se di natura chimica diversa. Qui il vantaggio deriva dalla migliore distruzione di alcune sostanze nocive o sgradevoli, parzialmente termolabili, contenute in molti legumi. Per esempio composti cianogenetici pericolosi (eterosidi), annullabili sono con un prolungato ammollo e, in parte, con la temperatura di cottura; e oligosaccaridi, responsabili del cattivo odore dei gas intestinali. Anche qui le vitamine del gruppo B, presenti nei legumi, sono meno sensibili alla temperatura della vitamina C, quasi assente nei legumi secchi.

• Controindicata invece la cottura a pressione per i legumi freschi e per quelli germogliati.

• Per le verdure (patate comprese) ritengo la pentola a pressione decisamente controproducente. Intanto i vantaggi della rapidità di cottura sono minimi. I danni di perdita di elementi vitali (vitamine, bioflavonoidi, indoli, etc.) molto rilevanti.

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7) La cottura alla griglia e allo spiedo.

La cottura allo spiedo e alla griglia sono probabilmente il punto di partenza di tutta la cucina: è infatti un metodo di cottura estremamente “naturale” che può essere utilizzato all’aperto e al limite senza particolari attrezzature. Sullo spiedo e sulla griglia le vivande, e in particolar modo la carne, cuociono in ambiente asciutto, senza l’accumulo di vapore che si forma attorno ad una vivanda che cuoce nel forno, e mantengono il loro particolare sapore. Mai permettere alla carne di entrare a diretto contatto con la fiamma in quanto libererebbe sostanze cancerogene.

L’utilizzo di griglie verticali risparmia i vapori cancerogeni dei grassi che cadono nella brace. La cottura alla griglia avviene con diverse sorgenti di calore ed è la cottura con la temperatura esterna più elevata -da 1100 a quasi 7000 C-. La griglia deve essere in ferro battuto e solido o in acciaio inox. Questa tecnica viene utilizzata sia per la cottura di verdure che di carni e pesci e ne esalta le caratteristiche organolettiche evitando perdite nutrizionali eccessive.

8) La cottura su pietra.

La pietra ricavata da antiche colate laviche risulta assolutamente pura come il vetro di categoria “A”, con assoluta assenza di piombo quindi la piastra non emette sostanze nocive.

I cibi cuociono senza condimenti e i grassi, disciolti durante la cottura, grazie a della scanalature sulla superficie della piastra, non sono a contatto con l’alimento evitando così la formazione del benzopirene. I sapori dei cibi ne risultano esaltati. La

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cottura avviene per assorbimento di calore uniforme, pertanto conserva il valore nutritivo e vitaminico dei cibi e non produce fumi anche cuocendo alimenti particolarmente grassi.

Osservando i diversi metodi di cottura si nota che la temperatura varia dai 100°C della bollitura ai 200-240°C della cottura in forno, fino ad arrivare alle alte temperature della cottura su griglia.

Già osservando un’abitazione “normale” si nota come vengono utilizzati i diversi metodi di cottura: un utilizzo della griglia in ambiente chiuso è sconsigliato, in quanto produce fumi e odori non indifferenti, quindi per un elettrodomestico ad uso interno viene scartata già all’inizio; la cottura in forno necessita di infrastrutture ingombranti, perciò viene delegata ad un elettrodomestico a parte; il microonde invece è impegnativo dal punto di vista della sicurezza, perché le onde elettromagnetiche devono essere seriamente schermate per evitare interferenze con gli altri apparecchi elettrici presenti nel luogo.

Eliminate queste, rimane tutta la categoria di cotture che vengono attualmente realizzate sul piano di cottura, sia esso a gas o elettrico.

Quindi uno scaldavivande/piano cottura deve raggiungere la temperatura di circa 125°C -per permettere l’utilizzo di una pentola a pressione, che ha una temperatura di utilizzo ottimale a 120°C- mentre tutte le temperature inferiori possono essere utilizzate per la cottura mediante immersione (bollitura) o per mantenere a temperatura ottimale le pietanze già cotte.

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Piani di cottura attuali I piani di cottura attualmente si posso dividere in due grandi famiglie: A gas (gpl, metano) Elettrici (comprensivi anche delle piastre in vetroceramica) • Piano di cottura a gas I piani cottura a gas sono quelli attualmente più utilizzati, in quanto semplici da usare ed economici.

Un piano cottura tipo è composto da quattro fuochi, generalmente di dimensioni diverse a seconda dell’utilizzo che viene fatto degli stessi.

Il trasferimento del combustibile avviene mediante tubazioni, che vanno ad installarsi su di un rubinetto che è usato per regolare la fiamma. Il gas, prima di fuoriuscire nel diffusore dove poi verrà acceso, passa attraverso un getto forato per rendere l’erogazione più costante.

Da qualche anno i sistemi a fiamma sono stati integrati con un sistema di sicurezza atto ad evitare la fuoriuscita di gas a seguito di uno spegnimento accidentale, mediante un sensore di temperatura a contatto con il diffusore.

Il problema più grande di questo genere di elettrodomestici è la dispersione di calore: gran parte dell’energia termica sprigionata dalla fiamma va a disperdersi nell’ambiente, in quanto l’aria che circonda la fiamma è più fredda e tende ad assorbire il calore. Perciò per fornire abbastanza calore sono costretti ad

avere alte potenze caloriche La potenza nominale di un bruciatore piccolo è circa 1000W. L’impatto ambientale di questo genere di elettrodomestici è però alto, perché l’utilizzo di gas naturale o metano va ad intaccare le riserve mondiali di idrocarburi. L’alta dispersione poi contribuisce ad aumentare l’impatto dello stesso in rapporto alle prestazioni.

Per ovviare a teli problemi sono state studiate alcune soluzioni: • Bruciatori ad alto rendimento. Sono stati studiati per ridurre l’emissione di sostanze tossiche come l’ossido di carbonio e il monossido di azoto e per migliorare il processo di combustione. Questo ha portato a significativi vantaggi: l’ottimizzazione del rendimento con la conseguente riduzione degli sprechi, la maggiore stabilità della fiamma e la silenziosità durante il funzionamento.

• Bruciatori a tripla corona. Accanto a bruciatori con potenze standard (ausiliari, semirapidi e rapidi) ne può essere adottato uno con una potenza maggiore: il bruciatore a tripla corona garantisce una grande efficacia, i tempi di riscaldamento vengono infatti ridotti drasticamente e la cottura risulta molto più rapida ed uniforme, riducendo contemporaneamente i consumi.

Tipo gas Bruciatore

Potenza termica nominale (W)

Portata Consumo termica nominale ridotta (W)

Gas naturale 20 mbar

Ausiliario Semirapido Rapido ultrarapido

1050 2100 3100 3600

380 400 800 1600

100 l/h 200 l/h 295 l/h 343 l/h

Gas liquefatto 30 mbar

Ausiliario Semirapido Rapido ultrarapido

1050 2100 3100 3600

380 400 800 1600

76 g/h 153 g/h 225 g/h 261 g/h

Caratteristiche tecniche apparecchio cat. II 2H3+ Tabella estratta dal manuale di istruzioni di Franke - piani di cottura Armonia

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• Piano di cottura elettrico È una superficie circolare in ghisa che viene riscaldata da resistenze elettriche. È ideale per cucinare soprattutto gli alimenti che necessitano di cotture a fuoco basso. È inoltre da considerare come ottimo sostituto in caso venga a mancare il gas.

Dato l’impatto ambientale della piastra, un buon modo per ridurre i consumi di energia elettrica è quello di spegnere la piastra prima dello scadere del tempo di cottura, poiché il calore residuo è sufficiente per terminare la cottura.

Variazioni del tema della piastra sono: • Zone di cottura alogene.

Sonoresenti nei piani elettrici in vetroceramica. Queste zone di cottura hanno tempi di riscaldamento rapidissimi.

• Zone di cottura concentriche.

Anch’esse disponibili nei modelli in vetroceramica, permettono di dosare il calore necessario per i diversi tipi di cottura selezionando la sola corona esterna, il solo nucleo o entrambi contemporaneamente. In questo modo viene inoltre riscaldata solo la superficie a diretto contatto con il fondo delle pentole, limitando dispersioni di calore e sprechi di energia.

La resistenza viene inserita all’interno di una superficie in ghisa per sfruttare, oltre al calore generato elettricamente, anche la buona capacità del materiale di mantenere il calore dopo essere stata riscaldata. Questo può essere sfruttato per mantenere in temperatura i cibi senza dover necessariamente accendere la piastra.

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La piastra elettrica rimane una soluzione comunque dispendiosa dal punto di vista energetico perché, riscaldandosi in ogni caso tutta l’area in ghisa, buona parte del calore viene disperso nelle zone non utilizzate della piastra -sotto o a lato nel caso vengano utilizzate pentole di diametro inferiore alla piastra-. Non indifferente anche il consumo unitario di un piano cottura a piastre, tale da necessitare di tutta la potenza elettrica di un’abitazione media -3KW- per far funzionare due piastre su quattro.

Piani di cottura

MK 64 R

Zone di cottura

Bruciatore

Potenza

Posteriore sx Anteriore sx Posteriore dx Anteriore dx

1800 1200 1800 1200

180 140 180 140

Potenza Totale

6200 W

Caratteristiche tecniche apparecchio Indesit - MK64R Tabella estratta da: http://www.indesit.com/indesit/technicalspecification.do?productId=29748IT

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Elettromagnetismo Per capire bene cosa sia il campo elettromagnetico bisogna avere il concetto di campo. Oggi il concetto di campo, sconosciuto ai tempi di Galileo e Newton, costituisce il punto di partenza per lo studio di molti fenomeni fisici fondamentali, e consente di evitare l’errore di credere che la forza di attrazione o di repulsione sia generata da una sola delle due cariche che interagiscono, mentre l’altra ne subisce gli effetti. Allora si pongono delle domande come conseguenza della precedente affermazione: come si trasmettono le forze?

Per contatto o azione a distanza? Un corpo dotato di carica elettrica viene attirato da un altro corpo elettrizzato con carica di segno diverso non perché da esso parta una qualche forza di attrazione, ma perché esso genera un campo in cui tutti i corpi di segno elettrico opposto tendono ad avvicinarsi ad esso.

Il fenomeno dell’attrazione quindi è dovuto non dall’oggetto ma dallo spazio in cui si trova. Il campo elettromagnetico è l’interazione tra il campo magnetico e quello elettrico, e questo si può facilmente osservare anche nel caso di una bussola; avvicinando infatti una bussola ad un filo percorso da corrente elettrica vediamo che l’ago magnetico tende a disporsi in posizione trasversale rispetto al filo. Questo fenomeno si può spiegare solo dicendo che una corrente elettrica, e più in generale una carica in moto, crea un campo magnetico. Se la corrente che fluisce nel filo è corrente continua, cioè costante in un certo periodo, anche il campo magnetico sarà costante.

Grazie a questo tipo di esperimento si arrivare a costruire una teoria unitaria per i fenomeni elettrici e magnetici.

La teoria dell’elettromagnetismo permette di dare un’interpretazione generale del magnetismo riconducendolo sempre al moto di cariche elettriche. Ci possono essere due casi: quando una carica è fissa rispetto a un osservatore situato nel campo circostante, egli percepisce solo la presenza di un campo

elettrico; quando invece la carica si muove, l’osservatore percepisce anche la presenza di un campo magnetico. Questi si interpretano con il fatto che il magnetismo è una conseguenza del moto relativo di una carica rispetto all’osservatore, e ciò è una conseguenza di una teoria ancora più generale che è la relatività. La teoria dell’elettromagnetismo costituisce a tutt’oggi forse il migliore esempio di teoria scientifica per la sua grande precisione, generalità e capacità di previsione.

vallo di tempo in cui avviene. Detto in altri, termini essa è proporzionale alla velocità di variazione del flusso concatenato al circuito. Il funzionamento di numerose macchine elettriche, come ad esempio i trasformatori ed i motori elettrici, si basa su questa legge.

F = q · (E + v x B)

Il fatto che sta alla base della teoria elettromagnetica è la simmetria dell’interazione cioè, nel caso dell’interazione tra un magnete ed un filo percorso da corrente il magnete agisce sulla corrente; viceversa la corrente agisce sul magnete. In particolare se un filo avvolto a spirale, percorso da corrente, e immerso in un campo magnetico comincia e continua a ruotare finché c’è un campo magnetico. Per la situazione simmetrica, se un filo a spirale, non percorso da alcuna corrente elettrica viene immerso in un campo magnetico e comincia a ruotare si genera una corrente elettrica. Questo fenomeno è importantissimo perché ci consente di trasformare l’energia meccanica in energia elettrica come per esempio negli alternatori e, viceversa, nei motori elettrici.

L’importanza delle equazioni di Maxwell nell’elettromagnetismo applicato è quella di fornire le relazioni tra il campo elettrico e quello magnetico, sottolineando l’importanza delle induzioni generate dai campi stessi.

dove q è la carica della particella, e v è la sua velocità.

Il comportamento dei campi elettromagnetici può essere descritto con le equazioni di Maxwell, e il loro principio quantico dall’elettrodinamica quantistica; nell’ambito della meccanica relativistica i campi sono descritti dalla teoria dell’elettrodinamica classica, ovvero la teoria covariante per trasformazioni di Lorentz dell’elettromagnetismo. La legge di Faraday-Neumann-Lenz dice che: la differenza di potenziale indotta in un circuito chiuso è direttamente proporzionale alla variazione del flusso magnetico e inversamente proporzionale all’inter-

Si definisce mezzo senza perdite un materiale nel quale la resistenza che l’onda incontra nel penetrarlo dipende soltanto dalla permeabilità elettromagnetica di quest’ultimo. In mezzi di questo genere abbiamo che il flusso del vettore di Poynting, dato dal prodotto vettoriale tra i campi, equivale alla potenza elettomagnetica che esce dal volume considerato.

Si definisce invece mezzo con perdite quello in cui l’onda incontra una resistenza dipendente,oltre che dalle prima citate permeabilità, anche dalla “sigma”, cioè la conducibilità, e dalla pulsazione caratteristica “omega”, dipendente dalla frequenza.

Il campo elettromagnetico, (electromagnetic field o EMF) è composto in generale da tre campi vettoriali, il campo elettrico il campo magnetico e un terzo campo che spesso per semplicità viene escluso che è il termine di sorgente. Questo significa che i vettori -E,B e J- che caratterizzano il campo elettromagnetico hanno ciascuno un valore definito in ciascun punto del tempo e dello spazio. Se solo E, il campo elettrico, ha un valore diverso da zero e costante nel tempo, il campo è definito campo elettrostatico.

Avendo un materiale composto da particelle suscettibili al campo, il campo elettromagnetico genera una forza F su una particella carica, data dall’equazione di Lorentz:

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Abbiamo in fine mezzi dispersivi, caratterizzati da una frequenza propria; per propagarsi l’onda deve avere una frequenza superiore a quella relativa al mezzo. Il plasma, presente nella ionosfera, è un mezzo dispersivo e quindi per poter effettuare comunicazioni attraverso onde elettromagnetiche in quella regione dobbiamo inviare onde con frequenza superiore a 9 MHz.

I

Current

ampere

A

A = W/V = C/s

q

Electric charge

coulomb

C

A•s

V

Potential difference

volt

V

J/C = kg•m2•s−3•A−1

R

Resistance

ohm

Ω

V/A = kg•m2•s−3•A−2

Z

Impedance

ohm

Ω

V/A = kg•m2•s−3•A−2

X

Reactance

ohm

Ω

V/A = kg•m2•s−3•A−2

ρ

Resistivity

ohm metre

Ω•m

kg•m3•s−3•A−2

P

Power

Electrical watt

W

V•A = kg•m2•s−3

C

Capacitance

farad

farad

C/V=kg−1•m−2•A2•s4

ε

Permittivity

farad per metre

F/m

kg−1•m−3•A2•s4

X

Electric susceptibility

G

Conductance

siemens

S

Ω−1 = kg−1•m−2•s3•A2

Y

Admittance

siemens

S

Ω−1 = kg−1•m−2•s3•A2

e

B

Susceptance

siemens

S

Ω−1 = kg−1•m−2•s3•A2

σ

Conductivity

siemens per metre

S/m

kg−1•m−3•s3•A2

H

Magnetic field, magnetic field intensity

ampere per metre

A/m

A•m−1

Φm

Magnetic flux

weber

Wb

V•s = kg•m2•s−2•A−1

B

Magnetic flux density, magnetic induction, magnetic field strength

tesla

T

Wb/m2 = kg•s−2•A−1

L

Inductance

henry

H

μ

Permeability

henry per metre

H/m

χm

Magnetic susceptibility

Tabella estratta da: http://it.wikipedia.org/wiki/Elettromagnetismo

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kg•m•s−2•A−2

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L’Induzione elettromagnetica L’induzione elettromagnetica è un processo fisico secondo il quale applicando una corrente alternata ad una spira di materiale conducente l’elettricità si provoca un campo magnetico. La corrente alternata che passa nella bobina induttrice genera un campo elettromagnetico, che induce delle correnti parassite nel pezzo da riscaldare. La resistività del materiale che si oppone al flusso .di queste correnti è la causa del calore che viene generato. Il meccanismo induttivo dipende dalla tipologia di campo elettromagnetico, e risponde delle leggi dello stesso

Applicazioni industriali dell’induzione Il riscaldamento a induzione è una tecnica usata per fornire calore rapido e controllato in molte situazioni produttive, dove siano richieste saldature, o più genericamente variazioni delle proprietà fisiche dei metalli e di ogni altro materiale elettricamente conduttivo. Nonostante i principi elementari dell’induzione siano noti da tempo, soltanto grazie alla moderna tecnologia elettronica dei componenti solidi il riscaldo a induzione è potuto diventare un metodo davvero semplice ed economico per le innumerevoli applicazioni di incollaggio, trattamento termico, saldatura e prove sui materiali.

I componenti base di un sistema di riscaldo a induzione sono un generatore di corrente alternata, una bobina induttrice -o “induttore”- e un “carico” -ovvero il materiale che deve essere riscaldato-. Il generatore fornisce la corrente alternata che attraversa la bobina, generando un campo magnetico nel suo intorno. Avvicinando un carico, esso viene percorso dalle cosiddette correnti parassite indotte dal campo magnetico, che producono un preciso, localizzato e controllabile aumento di temperatura nel materiale, senza alcun contatto fisico con la bobina.

Esiste una relazione tra la frequenza della corrente alternata e la sua profondità di penetrazione nel materiale; le basse frequenze, da 5 a 30 KHz, sono adatte a materiali più spessi che richiedono una penetrazione profonda del calore, mentre frequenze più alte, da 100 a 400 kHz, sono adatte a parti piccole o a riscaldamenti superficiali. Per riscaldare parti estre-

mamente piccole si arrivano a produrre generatori in grado di operare fino a 60 Mhz. Più alta è la frequenza più alto è il calore prodotto; pensate per analogia a quando ci sfreghiamo le mani per riscaldarle. Più velocemente sfreghiamo le mani, più calore generiamo.

I materiali magnetici si riscaldano più facilmente di quelli non magnetici, a causa dell’effetto di isteresi magnetica. I materiali magnetici offrono una resistenza naturale al rapido cambiamento dei campi magnetici nell’intorno dell’induttore. L’attrito risultante produce un suo calore aggiuntivo -il riscaldamento per isteresi- che si somma al riscaldamento per le correnti parassite. Un metallo che offre un’alta resistenza si dice che ha un’alta “permeabilità” magnetica. La permeabilità magnetica per i materiali magnetici assume valori tra 100 e 500. I materiali non magnetici hanno permeabilità pari a 1. Il riscaldamento per isteresi si verifica per temperature al di sotto del “punto di Curie” -la temperatura alla quale il materiale magnetico perde le sue proprietà magnetiche-.

Il flusso di corrente indotta all’interno del materiale è molto concentrata sulla superficie e decresce rapidamente verso l’interno del materiale. Di conseguenza la superficie si scalda molto più velocemente della parte interna; l’80% del calore prodotto nel materiale si genera nello strato superficiale. Si parla infatti di “effetto pelle” del materiale. Lo spessore dell’effetto pelle diminuisce al decrescere della resistività, al crescere della permeabilità o al crescere della frequenza.

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Applicazioni domestiche dell’induzione L’accoppiamento è il termine usato per indicare la relazione che esiste tra la quantità di corrente che passa nel materiale e la distanza tra il materiale e l’induttore. In generale, più l’induttore è vicino al materiale, più corrente passa nel materiale, e di conseguenza più calore viene prodotto.

Nelle applicazioni industriali l’induzione elettromagnetica viene utilizzata per produrre riscaldamenti localizzati nei pezzi da trattare, in modo da preparare il pezzo al trattamento.

La bobina induttrice è generalmente ottenuta da un tubo di rame elettrolitico, di forma circolare e diametro 3-5mm, nel quale passa l’acqua di raffreddamento. La dimensione e la forma dell’induttore -con spira singola o multipla, elicoidale, rotonda o quadrata, interna o esterna (al pezzo)- deve essere adeguatamente definita in base al pezzo da riscaldare e alle altre variabili del processo produttivo. Con una buona progettazione dell’induttore, si può ottenere un idoneo profilo di riscaldo e massimizzare l’efficienza del generatore di frequenza, senza rendere difficoltoso l’inserimento e la rimozione del pezzo da riscaldare. l generatore di frequenza produce il campo magnetico attorno al pezzo da riscaldare, attraverso la corrente alternata che viene fatta passare nell’induttore. La potenza in uscita del generatore determina la velocità relativa di riscaldamento del pezzo. Ad esempio, il processo tipico di applicazione di brasatura che utilizza un generatore da 3 KW, può essere velocizzato con l’uso di un generatore da 5 KW. Tuttavia, l’uso di maggior potenza può richiedere l’incremento della fornitura elettrica, maggiore dimensioni e peso e altre esigenze conseguenti; generatori di maggior potenza utilizzano normalmente tensione trifase e apparati di raffreddamento dell’acqua più sofisticati.

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Vantaggi dei piani di cottura a induzione: • La pre-cottura dura molto meno (30% di tempo in meno).

• La zona di cottura -similmente a quanto accade col gas- reagi sce senza ritardo al cambiamento della prestazione riscaldante.

Così si può regolare con finezza e velocità.

• Risparmio energetico pari al 30% rispetto alla “normale” vetroceramica.

• Niente scottature sul fornello, il ripiano rimane quasi freddo.

• Di solito ci sono diverse possibilità di programmazione.

basso-, ma direttamente nel fondo della pentola, dove il calore si trasmette in modo immediato ai cibi da cuocere. Il fondo di vetroceramica si scalda solo indirettamente a causa del calore sprigionato dal fondo della pentola.

Il riscaldamento a induzione funziona così: sotto il piano si trova una spirale induttrice elettrica, alimentata da un generatore a onde lunghe (circa 35KHz). È per così dire la prima parte di un convertitore, la seconda essendo data dal fondo della pentola direttamente, che deve essere magneticamente conduttivo e quindi in ferro -o contenere uno strato di ferro-.

Il campo magnetico generato dalle bobine a induzione mette in movimento le molecole che compongono il materiale ferroso della pentola, riscaldandola.

Ci sono ottime pentole di tutti i tipi che da anni sono fabbricate con fondi adatti all’induzione; l’attitudine alla cottura a induzione è indicata anche sui prospetti. Non sono adatte a questo genere di utilizzo le pentole a buon mercato di alluminio e acciaio cromato -il quale acciaio cromato non è magnetico come il ferro.

Svantaggi: • Prezzo superiore.

• Sono necessarie pentole con fondo -o inserto- di ferro.

• Ci sono modelli con elevati consumi elettrici in Standby.

• Campo elettromagnetico del generatore d’induzione -questa frequenza fino da ora si è rivelata non problematica, a differenza ad esempio di quella del microonde che deve essere accuratamente schermata.

Come funziona tecnicamente la cottura a induzione? Il calore per la cottura non viene prodotto sotto il piano -come avviene nei piani in vetroceramica, dove ci sono grosse perdite verso il

Il risparmio energetico si basa quindi su due aspetti: • minore perdita di calore verso il basso • minore tempo di pre-cottura, e con ciò si riduce anche il tempo d’effetto delle altre perdite.

Naturalmente il generatore d’induzione stesso ha anch’esso determinate perdite, che però limitano solo leggermente i risparmi.

Un altro tipo di perdite energetiche può essere più importante, soprattutto se il piano di cottura viene usato raramente: le perdite date dalla disponibilità dei comandi elettronici.

Questi consumi variano da 2 a 8 Watt, che su un anno posso-

Dall’applicazione pratica dell’induzione sono stati sviluppati dei sistemi di cottura adatti alla cottura di cibi.

Diversamente da quanto accade nel principio tradizionale della trasmissione del calore tramite conduzione e irradiazione, usati nei piani a gas o elettrici, l’induzione crea il calore direttamente nelle stoviglie di cottura traendolo da un campo elettromagnetico. Sono però necessarie pentole di materiale magnetico come ghisa o acciaio.

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800 700 600 500 400 300 200 100 1

2

3

4

5

Limiti della tecnologia attuale Teoricamente, osservando le informazioni raccolte, il piano a induzione potrebbe sembrare un’ottima evoluzione del piano cottura domestico; tuttavia presenta alcune problematiche da osservare: • La maggior parte delle pentole presenti in un’abitazione non viene riscaldata sufficientemente in quanto di materiale non adatto; questa caratteristica va ad influire sui rapporti calore prodotto/consumo elettrico fino ad arrivare ad un rapporto sconveniente per l’utente.

• Non esiste un sistema di regolazione dell’area di influenza dell’induttore: in presenza di un induttore singolo esso verrà automaticamente attivato ogni volta in tutto il suo diametro, pregiudicando il risultato finale (nella maggior parte delle piastre portatili non si possono usare pentole di diametro inferiore a 12cm.).

• I comandi sono talvolta di difficile comprensione, in quanto segnalano i Watt utilizzati ma non le temperature.

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Il progetto

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?Perchè un nuovo sistema a induzione L’induzione utilizzata come metodo di riscaldamento in cucina presenta degli indubbi vantaggi, come già spiegato, ma al contempo presenta uno svantaggio a mio parere molto importante: la quasi totalità delle pentole esistenti è prodotta in materiali ferromagnetici di qualità discorde da quella necessaria al piano a induzione; secondo la mia ricerca rientrano nella categoria con performance accettabili circa il 24% delle pentole presenti in un’abitazione di una famiglia media di .quattro persone Questo ostacolo è un forte deterrente alla presa in considerazione dell’acquisto di un piano a induzione: esigerebbe, oltre all’impegno economico dell’acquisto del piano stesso, anche un onere destinato alla sostituzione delle batterie di pentole ad oggi presenti in casa. Spesso questa prospettiva dirotta buona parte delle persone intenzionate all’acquisto di un piano a induzione verso un più classico piano a gas o elettrico, che sono .esenti da problemi di questo genere Questa ricerca l’ho condotta personalmente utilizzando un piano a induzione portatile -Galanz Mod. C16B-HW-, dotato di un sensore che è in grado di testare il rendimento possibile della pentola in uso e di escludere l’erogazione di energia nel caso il rapporto energia/rendimento elettromagnetico fosse .troppo svantaggioso

Soggetto 1 – single, vive solo, cucina raramente Tipologia contenitore

Diametro cm

Responso all’induttore

Pentola alta

17

Si

Pentola alta

23

Si

Pentola alta

25

No

Padella

29,5

No

Padella

30,5

No

Padella antiaderente

30,5

No

Moka

10

No

Padella

26

No

Casseruola

24,5

No

Tegame

19,5

No

RISULTATI FINALI

20%

80%

No 20% Sì 80%

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Dario Schiavon Il progetto

Soggetto 2 – coppia giovane, cucinano spesso, appena trasferiti Tipologia contenitore

Diametro cm

Responso all’induttore

Wok

16

Si

Pentolino inox ecoterm 14

Si

Pentola alta

23

Si

Pentolino

11

No

Pentolino

11

No

Pentolino

07

No

Padella

19

No

Padella

21

No

Casseruola

13

No

Pentolino

07

No

Padella

18

No

RISULTATI FINALI

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No 73% Sì 27%

27%

73%

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Soggetto 3 – coppia giovane, cucinano spesso, appena trasferiti Tipologia contenitore

Diametro cm

Responso all’induttore

Casseruola

18

Si

Pentola

19

Si

Bistecchiera

32

Si

Padella per fritture

19

No

Padella antiaderente

18

No

Pentola

22

No

Pentolino

09

No

Pentola

19

No

Pentola

22

No

Pentola

15

No

Pentolino

16

No

Pentolino

12

No

Tegame

15

No

RISULTATI FINALI

23%

77%

No 77% Sì 23%

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Dario Schiavon Il progetto

Idea progettuale Come risolvere perciò questo problema di compatibilità tra i piani a induzione e le pentole oggi comuni?

Non si tratta solo di risolvere tecnicamente un problema, ma soprattutto di creare un oggetto che responsabilizzi l’utente ad un uso di tecnologie più avanzate ed economiche per raggiungere degli obbiettivi raggiungibili tutt’oggi con un dispendio superiore di energia. Avvicinare la famiglia media all’induzione, vincere la diffidenza che ora allontana il bacino di potenziali ed auspicabili utilizzatori da questa tecnologia perché di difficile e soprattutto misterioso utilizzo è un primo passo verso una concezione più ecocompatibile dei gesti quotidiani, e spiana la strada alle prossime innovazioni nel campo degli elettrodomestici innovativi. Questo obbiettivo è perseguibile rendendo più “friendly” la tecnologia, facendola percepire non come un’entità con la quale è difficile mettersi in contatto, riservata ad una ristretta cerchia di addetti, ma come una metodologia che renda più semplici ed efficienti anche i gesti quotidiani.

conduzione e non direttamente, ma questo fa sorgere nel contempo un problema: l’efficienza dell’induzione viene a diminuire, perché la trasmissione del calore a questo punto viene pregiudicata dal passaggio corpo riscaldante-pentola.

Il metodo più diretto per poter creare un piano cottura che utilizzi l’induzione elettromagnetica e che scaldi indistintamente tutti i tipi di pentole è separare il componente riscaldante dal contenitore vero e proprio.

Questo lo si può ottenere inglobando un blocco di materiale ferromagnetico ad alta compatibilità -cioè che renda il massimo possibile ottimizzando il rapporto energia/calore- nel piano cottura, creando con ciò un ibrido tra un piano in vetroceramica e un piano a induzione. I vantaggi di tale metodo saltano subito alla vista: i problemi di compatibilità si risolvono totalmente, in quanto il calore verrà passato mediante

Per risolvere questi problemi si possono attuare le seguenti soluzioni: • Utilizzare un materiale ad alta trasmissione del calore per accoppiare in modo ottimale corpo riscaldante e pentola.

• Inserire una barriera al calore nella parte sottostante del corpo riscaldante, in modo da isolarlo o catturare il calore prodotto per rilasciarlo in maniera costante e duratura nel tempo anche dopo lo spegnimento del corpo riscaldante stesso.

• Concepire un’interfaccia che permetta di scegliere il metodo più adatto al riscaldamento, anche in funzione della dimensione dell’oggetto da scaldare.

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Questo inconveniente può essere risolto virando leggermente la destinazione d’uso del progetto: invece di essere un riscaldatore, facendolo diventare uno scaldavivande e inserendo degli accorgimenti automatici esso diventa un oggetto ecoresponsabile.

I problemi che si presentano in questa situazione quindi sono: • Il non perfetto accoppiamento tra sistema riscaldante e pentola.

• La dispersione del calore verso il basso.

• Il riscaldamento di un’area spesso superiore alle reali esigenze.

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Modelli di riferimento Kalura – Scaldavivande - Alberto Meda - Alessi 2000 Lo scaldavivande Kalura deriva da un prototipo ideato da Denis Santachiara per Domodinamica. In origine era un piatto da portata in rame, riscaldabile mediante una resistenza elettrica, pensato per mantenere le pietanze alla temperatura di servizio. L’idea era scaturita dallo sviluppo della regola, a volte trascurata, del servire i piatti alla temperatura ottimale per .esaltarne appieno i sapori Lo sviluppo successivo, dettato dalle esigenze della Alessi, è stato quello di convertire il progetto in uno scaldavivande universale adatto a qualsiasi piatto da portata di produzione .interna Meda sviluppa il progetto inserendo una resistenza elettrica all’interno di un nucleo in ceramica ad alte prestazioni, derivato dagli esperimenti sulle ceramiche tecniche in uso negli .shuttles Pochi minuti di riscaldamento bastano per creare il calore ne.cessario a mantenere i cibi in temperatura per un’ora circa L’oggetto in questione è un esperimento energy conscious, in quanto è pensato per dare una resa diluita nel tempo mini.mizzando il consumo di energia e soprattutto gli sprechi

HWA-Seok – elemento per cottura su pietra basato sull’induzione – Ki Hoon Kio – Electrolux 2005 Con questo progetto l’autore ha cercato di conciliare una tecnica tradizionale di cottura, cioè la cottura su pietre roventi, con la tecnologia dell’induzione. Il progetto consiste in un contenitore all’interno del quale è stata posta una spirale induttrice, e da dei “sassi” realizzati in materiale ferromagnetico. All’accensione dell’oggetto i sassi diventano roventi quasi .istantaneamente, e possono venire usati per cucinare

– Chef – Forno a microonde – Konstantin Grcic Whirpool Grcic con questo progetto ridisegna il concetto di forno a microonde, distaccandolo dalla forma austera e massiccia alla .quale è collegato fin dal suo esordio Consiste in un piano in acciaio inox con integrato un magnetron - emettitore di microonde a 2450 MHz con lunghezza d’onda 12.24cm - del tutto simile a quello dei forni a microon.de normali Per riscaldare il cibo e soprattutto per evitare pericolose diffusioni delle microonde nell’ambiente Grcic ha creato due oggetti da posizionare al di sopra del piano per creare un’area sigillata e integranti un sistema di sicu.rezza Questo progetto ha come idea di base la trasformazione dei pregiudizi dell’uomo comune verso un uso più semplice e .completo delle microonde

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Il progetto

Mapping Sistemi di cottura TRADIZIONALE

ALTI CONSUMI

BASSI CONSUMI

INNOVATIVO

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Il progetto

Sistemi a induzione

BASSE PRESTAZIONI

ALTE PRESTAZIONI

TECNICO

CASALINGO

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Il progetto

Interfaccia utente-macchina

USER FRIENDLY

POCO COMPPRENSIBILE

SEMPLICE

COMPLESSA

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Lo studio della forma Un aspetto importante in cucina è l’igiene: spesso è difficile arrivare a pulire ogni anfratto o fuga presente alla connessione di due superfici, e proprio lì spesso si accumula con il tempo una patina di sporco persistente. Questo va a infastidire spesso l’utente finale, che è costretto ad andare a fondo nella pulizia per non ritrovarsi l’ambiente maleodorante. Lo stesso problema viene manifestato negli elettrodomestici come piastre portatili o forni a microonde, anch’essi soggetti all’accumu lo di sporcizia soprattutto nelle zone di connessione dei vari componenti.

Lo sporco proviene quasi esclusivamente dai versamenti di liquidi di cottura, siano essi dovuti al riscaldamento troppo accentuato o non intenzionali. In aggiunta lo sporco proveniente da materiale organico tende a formare uno strato appiccicoso che cattura e ingloba le particelle con le quali viene in contatto. Non è trascurabile l’apporto di polvere e agenti presenti nell’aria che si depositano nel lungo periodo.

Per evitare la presenza di accoppiamenti o fughe è necessario realizzare l’involucro esterno in un’unica scocca. Inoltre, mediante una colata in stampo e controstampo è possibile realizzare il pezzo in un’unica lavorazione. Realizzata la parte esterna, l’elettronica e i sistemi di interfaccia andranno a posizionarsi sotto al piano in un contenitore fissato successivamente. Quindi lo scaldavivande sarà grosso modo composto da un elemento esterno in materiale ceramico e da un elemento interno in tecnopolimero.

Qualsiasi materiale ci cadrà sopra sarà semplicemente pulito mediante una passata di spugna, e l’assenza di fughe eviterà il deposito in zone inaccessibili della sporcizia.

La stabilità dello scaldavivande è data da tre piedi, posizionati simmetricamente ogni 120°, che aumentano la staticità e la resistenza dell’oggetto stesso nervando i punti di appoggio e la superficie esterna.

La parte inferiore del piano d’appoggio è realizzata a forma grecata concentrica, per permettere l’alloggiamento degli elementi riscaldanti in acciaio e degli induttori separati; al centro del piano è presente una torretta alla quale andrà ad agganciarsi un elemento filettato, fulcro dell’elemento di fissaggio del contenitore inferiore.

Il lato frontale dello scaldavivande è ricavato dal taglio mediante un piano della cupola esterna; questo per permettere la proiezione della tastiera in un’area a riparo da tocchi involontari e dalla luce diretta del sole, che vanificherebbe l’effetto di proiezione.

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Il progetto

Tecnologia induzione applicata L’induzione necessita di alcuni accorgimenti per poter esprimere al meglio le sue potenzialità: la posizione dell’induttore e la natura e posizione del carico sono tra le più importanti.

Negli impieghi industriali il carico viene posizionato all’interno di una spirale percorsa dalla corrente perché la disposizione delle linee di forza del campo elettromagnetico crea un volume toroidale attorno alla spirale stessa; in questa maniera, il carico è investito dal flusso elettromagnetico in modo ottimale, e si realizzano alte efficienze energetiche.

Invece nei piani di cottura a induzione il carico va a posizionarsi al di sopra dell’induttore, sfruttando in questa maniera il 50% del campo prodotto, mentre l’altro 50% viene prodotto nel lato non occupato dalla pentola e schermato mediante un materiale diamagnetico.

Per massimizzare il rendimento perciò è logico cercare di “circondare” la spirale con il carico, per catturare la maggior parte delle onde del campo elettromagnetico e creare il massimo di correnti parassite all’interno del carico, incrementando così il rendimento.

Il carico deve essere riscaldato in profondità per mantenere il calore a lungo quindi devono essere usate frequenze basse, nell’ordine dei 30 KHz. Per definire l’area di riscaldamento sono necessarie delle distinzione di elementi riscaldanti: quindi l’area sarà divisa in cerchi concentrici, ai quali faranno riferimento degli elementi riscaldanti posti sotto al piano.

La forma che riesce a coniugare queste due necessità è un elemento ad anello realizzato da due semigusci in materiale ferromagnetico con l’induttore posizionato al centro, induttore costituito da una spirale in rame posizionata in verticale rivestita di materiale ceramico.

Il rivestimento in materiale ceramico dell’induttore è indispensabile per mantenere separati il carico e l’induttore stes-

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so, in quanto se venissero a contatto il meccanismo induttivo non funzionerebbe. In questo modo tutto il campo magnetico prodotto dall’induttore è catturato dal carico sia nella parte esterna che in quella interna.

Il carico è pensato per poter essere realizzato in un’unica colata di acciaio induttivo, che oltre ad essere fortemente ferromagnetico, e quindi ottimale per il riscaldamento a induzione, è anche un ottimo conduttore di calore. La necessità di conservare il calore, a riscaldamento ultimato, così da rilasciarlo in tempi dilatati ha fatto sì che si sia stato scelto un carico dal volume relativamente alto.

La produzione di energia termica, localizzata nel carico, viene trasferita al piano mediante conduzione, in quanto il carico stesso è a contatto con la parte inferiore del piano -per conduzione termica si intende la trasmissione di calore che avviene in un mezzo solido, liquido o gassoso dalle regioni a più alta temperatura verso quelle con temperatura minore per contatto molecolare diretto-. La conduzione nei solidi si basa sul principio delle onde elastiche; mentre nei materiali metallici il contributo dell’oscillazione elastica del reticolo cristallino è trascurabile, ma è significativa la diffusione degli elettroni liberi.

Mettendo sopra una fiamma l’estremità di una sbarra metallica, dopo qualche tempo, anche l’altra estremità si scalda e può scottare, cioè il calore somministrato dalla sorgente riscalda le molecole della parte a contatto le quali si muovono oscillando con maggior velocità e perciò vanno ad urtare con maggior energia le molecole vicine; queste a loro volta urtano le altre successive e così, a poco a poco, tutta la sbarra si riscalda, senza notevole spostamento di ciascuna molecola che resta ad occupare sempre la stessa posizione media originaria. Così nella conduzione non si ha trasporto di materia, ma solo trasmis-

sione di urti molecolari.

Ripetendo l’esperienza con un tubo di vetro si osserva invece che un punto può diventare rosso, mentre a qualche centimetro di distanza si avverte solo un debole aumento di temperatura, cioè il vetro conduce il calore meno bene del metallo. Il miglior conduttore di calore è l’argento.

Sono buoni conduttori di calore tutti i metalli, ma non tutti lo trasmettono egualmente bene. Per esempio, il rame conduce il calore meglio del ferro. Questo fatto si prova riscaldando alle estremità due sbarre, una di ferro e l’altra di rame, che portano all’estremità opposta una pallina fissata con una goccia di cera: la sbarra di rame lascia cadere la pallina molto prima della sbarra di ferro. Sono cattivi conduttori del calore tutti i metalloidi, il vetro, il legno, il sughero, ecc. È importante notare fin d’ora che il diverso grado di conducibilità dei metalli corrisponde per ordine alla diversa conducibilità della corrente elettrica. Il fatto non è casuale, ma dipende dalla natura stessa del fenomeno perché l’elettromagnetismo ci dice che nella conducibilità del calore sono strettamente interessati non solo le molecole, ma anche alcuni corpuscoli elettrizzati –elettroni- che le costituiscono.

Ad ogni modo circa il 50% del calore prodotto in questo caso verrebbe irradiato verso il basso e contribuirebbe minimamente al riscaldamento del piano: tutto ciò rende antieconomica la progettazione della piastra, in quanto una considerevole parte dell’energia elettrica utilizzata per produrre il riscaldamento verrebbe sprecata.

Per sigillare la zona dei riscaldatori è prevista una massa in ceramica scarsamente conduttiva che inglobi la zona inferiore degli induttori stessi; in questa maniera è sufficiente accendere i riscaldatori per un tempo inferiore a quello necessario nel caso fossero non isolati per ottenere la temperatura costante, e mantenere a lungo il calore prodotto in quanto la massa ceramica si comporta da “accumulatore”. Proprio per queste ca-

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ratteristiche la ceramica viene usata da secoli nella costruzione di stufe ad accumulazione, nelle quali basta accendere il fuoco per qualche ora perché il materiale accumuli al suo interno abbastanza calore per poter scaldare un ambiente medio per circa un giorno.

La sostanziale differenza con la stufa è che nello scaldavivande la disponibilità di materiale è scarsa, per evitare occupazioni di spazio e pesi considerevoli, quindi al massimo ci si può permettere un volume di ceramica isolante relativamente piccolo; per questo è necessario utilizzare una ceramica tecnica ad alta capacità di immagazzinamento del calore, ora utilizzata per scopi altamente specializzati come le applicazioni aerospaziali.

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Interfaccia L’interfaccia base di ogni elettrodomestico recente si basa soprattutto su una soddisfazione piena dell’utente quindi spesso abbonda di finezze e particolari che raramente vengono usati appieno. Ne è esempio lampante l’interfaccia del videoregistratore/lettore dvd che, generalmente, viene utilizzato per il 20% delle sue potenzialità proprio perché l’interfaccia raggiunge livelli di complessità tali che un utente scarsamente interessato alle funzionalità aggiuntive non perde tempo a imparare i percorsi di attivazione di tali funzionalità.

Senza spostarsi nell’ambito particolarmente complesso dell’elettronica, anche un forno elettrico presenta solitamente almeno una mezza dozzina di programmi di cottura/scongelamento/ventilazione che l’utente medio non utilizza, se non per usare solamente il programma di riscaldamento a una determinata temperatura che cerca di adattare ad ogni esigenza.

Questo si ripercuote spesso sui consumi -sia energetici sia “temporali”- finali del prodotto, perché per raggiungere un determinato risultato l’utente non addestrato all’utilizzo dei comandi è costretto a fare più operazioni per raggiungere lo stesso risultato o utilizzare una metodologia non adatta, pregiudicando a volte il risultato finale.

Per un prodotto come uno scaldavivande è sufficiente un’interfaccia che identifichi precisamente la temperatura di riscaldamento; oltretutto è necessaria, visto il sistema di localizzazione dell’area riscaldabile, un metodo di identificazione univoco, possibilmente integrato con il metodo di selezione della temperatura.

Per mantenere intatta la filosofia progettuale di base dell’involucro esterno, anche i comandi devono essere progettati in modo da evitare giunture e fughe tra i vari elementi: pensando di dover sicuramente definire temperatura e zona di riscaldamento, sono necessarie almeno due manopole.

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Il metodo più semplice per realizzarle è posizionarle sul lato frontale dello scaldavivande in modo da renderle comodamente accessibili; resta comunque il problema dell’accoppiamento tra manopola e corpo centrale e soprattutto manca un sistema di feedback, che a questo punto deve essere rappresentato da un display.

Per evitare il problema degli accoppiamenti delle giunzioni è utilizzabile, al posto dell’interfaccia reale, un’interfaccia virtuale cioè proiettata sul piano di lavoro. Questo permette di evitare di toccare il riscaldatore per settare il tipo di riscaldamento, e in più elimina la necessità di localizzare un’area “reale” deputata ai comandi.

La tastiera virtuale, tecnologia sviluppata da una ditta israeliana per incrementare la portabilità e l’utilizzo dei personal media quali pda, cellulari e smartphones, funziona mediante un sistema di rilevazione della posizione dell’interferenza in un campo infrarosso. Attualmente è utilizzata anche negli ambienti sterili dove è indispensabile evitare l’intrusione di batteri e la proliferazione di essi in zone poco pulibili come possono essere le zone al di sotto dei tasti di una tastiera vera.

Si compone di quattro elementi: un diodo al laser che proietta su di un piano l’interfaccia, un illuminatore a infrarossi che crea un piano invisibile appena al di sopra della proiezione, un sensore di interferenza del tutto simile al sensore delle fotocamere digitali e un’unità di elaborazione dei dati provenienti dal sensore.

Il funzionamento si basa sul sensore cmos che scannerizza varie volte al secondo il piano ad infrarossi. Quando percepisce un’interruzione dello stesso dovuta ad un’interferenza esterna come può essere il posizionamento di un dito sul piano, riesce a localizzare in due dimensioni la posizione dell’interferenza e invia all’elaboratore i dati, che vengono trasformati in dati

utili per l’input. La percezione dell’input è istantanea e può essere anche simultanea. Come sistema di sicurezza, in modo da prevenire input sbagliati dovuti a interferenze involontarie nel campo del sensore, è previsto che l’input sia captato come valido dopo un’interferenza stabile di quattro secondi e, al cambiamento dello stato, lo scaldavivande emetta un segnale acustico. Un’interferenza di un tempo maggiore a 15 secondi lo scaldavivande è programmato per spegnersi.

Nel caso dello scaldavivande l’interfaccia deve gestire solo due variabili: la temperatura di riscaldamento e l’area interessata.

Per poterle gestire al meglio con un unico comando si rende necessario riportare sul piano dell’interfaccia il piano fisico di riscaldamento in modo da poter scegliere, utilizzando un linguaggio comunicativo coincidente a quello dell’orologio: • Area: a cerchi concentrici a partire dal centro, corrispondenti alle 5 aree progressive di riscaldamento, riportati anche sulla parte superiore del piano; • Temperatura: partendo da 40°C in corrispondenza delle ore 12, fino ad arrivare a 125°C in corrispondenza delle ore 9.

Il settore compreso tra le ore 9 e le ore 12 è utilizzato per la proiezione del display, che utilizza una tecnologia simile alle sveglie proiettate (display a cristalli liquidi e proiettore) in modo da dare un responso di feedback all’utente, e per il posizionamento di tre tasti proiettati per i metodi di cottura: • riscaldamento a temperatura costante, quindi partenza del riscaldamento in basso consumo senza picchi di tensione; • riscaldamento rapido per arrivare in temperatura il prima possibile utilizzando il massimo della potenza disponibile; • pentola a pressione per tenere la temperatura al massimo per circa 20 minuti, con possibilità di disattivazione.

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Per questi programmi è necessario montare all’interno dello scaldavivande un temporizzatore, che calcoli i tempi di accensione per preservare in sicurezza il sistema riscaldante; altresì il temporizzatore può essere utilizzato anche come riferimento per le cotture a tempo, quindi l’interfaccia a orologio può essere utilizzata anche come riferimento per l’impostazione del timer.

L’iter di utilizzo dell’interfaccia è il più intuitivo possibile: all’accensione lo scaldavivande setta il programma di riscaldamento a temperatura costante, aspettando l’input della selezione di temperatura e area riscaldata da parte dell’utente; successivamente all’input viene sottolineata l’icona del riscaldamento e il display indica la temperatura selezionata.

Alla selezione del programma di riscaldamento rapido l’unica differenza è la sottolineatura dell’icona di riscaldamento, mentre alla selezione del programma per la pentola a pressione oltre alla sottolineatura dell’icona viene visualizzato sul display la temperatura si 120°C. È necessario inoltre un sistema di segnalazione del pericolo di scottature sulla piastra, in quanto l’utente potrebbe inavvertitamente appoggiarsi allo scaldavivande mentre è ancora caldo.

Per questo i riferimenti dell’area da riscaldare sono previsti in vernice termosensibile, che all’aumento della temperatura cambia vistosamente colore passando da un rosso spento quasi nero a un rosso molto acceso, in modo da segnalare il pericolo di scottature e identificare univocamente l’area interessata.

Programmi di interfaccia Riscaldamento veloce: fornitura alta di energia (1600W) per riscaldare in breve tempo il carico e poter trasmettere al più presto il calore al piano Vapore: settaggio della temperatura a 120°C e settaggio del timer a 20 minuti, con possibilità di annullamento Timer: dopo aver settato temperatura e area, il piano di interfaccia diventa un orologio dove poter selezionare il tempo di cottura., che verrà mostrato prima in ore:minuti e poi in minuti:secondi.

Riselezionandolo si annulla il timer.

Storyboard di funzionamento: • Accensione mediante posizionamento della mano sul piano per 4 secondi • Selezione della temperatura e dell’area sull’interfaccia: all’input, per 3 secondi lampeggia la temperatura sul display, poi la temperatura si ferma e il sistema inizia a scaldare. Così ad ogni variazione della selezione della temperatura.

• Alla conclusione dell’uso spegnimento mediante selezione del tasto di spegnimento

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Finiture e materiali L’elettronica è ristretta al minimo necessario: • Trasformatore elettronico a uscite multiple, per alimentare i diversi componenti.

• Scheda di controllo dei riscaldatori, con uscite di fornitura energia verso ogni riscaldatore ed entrata dalla scheda principale.

• Scheda di elaborazione principale con entrata dal trasformatore e dal sistema di rilevazione e uscita verso la scheda di gestione dei riscaldatori.

• Unità di elaborazione dell’input proveniente dal cmos del sistema di rilevazione.

• Ventola per garantire il raffreddamento dei componenti elettronici.

• Sensori di temperatura.

Sono previsti cinque sensori in grado di captare la temperatura di esercizio dei riscaldatori posizionati vicino ai riscaldatori stessi, collegati a cinque trimmer deputati alla fornitura dell’energia elettrica e in grado di fermare l’erogazione al raggiungimento della temperatura di esercizio e riattivarla nel caso di abbassamento.

L’interfaccia è composta da un proiettore di interfaccia con diodo al laser, un proiettore di piano infrarosso, un sensore cmos per la rilevazione e da un display a cristalli liquidi proiettato.

Inoltre sul fronte del contenitore inferiore è presente un tasto di accensione, dotato di led bianco per segnalare lo stato di stand-by dell’oggetto.

Per mantenere il riscaldatore sollevato dal piano durante l’utilizzo sono presenti tre alloggiamenti per tappini di gomma, ricavati in sede di colata della ceramica nello stampo.

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Ceramiche La ceramica tradizionale è composta da argilla, feldspato, sabbia, ossido di ferro e allumina. Tale composizione fa in modo che la ceramica sia costituita da cristalli fini e appiattiti; la forma dei cristalli, inoltre, conferisce all’argilla usata per la fabbricazione della ceramica una certa plasticità, che si ripercuote nella facilità di lavorazione della stessa. Le ceramiche si dividono in: • Ceramiche a pasta compatta presentano bassissima porosità e buone doti di impermeabilità ai gas e ai liquidi e non si lasciano scalfire da una punta d’acciaio. Appartengono a questo gruppo i gres e le porcellane.

• Ceramiche a pasta porosa sono costituite da una pasta tenera, assorbente, che si lascia scalfire da una punta d’acciaio.

Appartengono a questo gruppo le terraglie, le maioliche e le terrecotte. Il termine ceramica comprende molti prodotti diversi e una prima classificazione si può fare sulla base dello scopo del manufatto; essenzialmente possono essere diviseo in: ceramici tradizionali (usati nell’industria edilizia), da rivestimento (piastrelle), da copertura (tegole), a fine strutturale (laterizi), sanitari. Un’altra classificazione delle ceramiche si ha in funzione del ciclo produttivo che hanno subito: abbiamo ceramiche non smaltate (cotto, grès rosso, clinker e inizialmente il gres porcellanato), ceramiche sottoposte a bicottura (maiolica, cotto forte e terraglia) e ceramiche sottoposte a monocottura (rossa, bianca e clinker). La bicottura è caratterizzata da un alto assorbimento di acqua mentre le monocotture e soprattutto il gres porcellanato hanno elevate caratteristiche tecniche e un assorbimento d’acqua prossimo allo zero.

Per venire incontro alle esigenze progettuali del riscaldatore sono necessarie due tipologie di ceramica: una ceramica ad alta diffusione del calore per il rivestimento esterno, in modo che possa trasmettere velocemente il calore dai riscaldatori al piano, e una ceramica ad alta capacità che isoli e trattenga il calore prodotto dalla parte inferiore dei riscaldatori.

La parte esterna, cioè la più soggetta alle azioni esterne ma soprattutto destinata a trasmettere al massimo il calore, è realizzata in vetroceramica: questo materiale è stato sintetizzato per la prima volta dalla Corning, ditta al top mondiale nella produzione del vetro. Originariamente prodotta per la realizzazione del radomo dei missili (cioè la parte frontale, dove si trovano i sistemi di ricezione ed emissione delle onde radio), si rivelò molto adatta per le realizzazioni da forno: infatti la sua resistenza al calore, la bassa dilatabilità e la permeabilità a certe frequenze d’onda (come i raggi infrarossi, che trasmettono il calore) la rese ottima per la costruzione di articoli per la cottura in forno.

La vetroceramica è un materiale ceramico policristallino ottenuto attraverso un processo controllato di nucleazione e cristallizzazione e si ricava da vetri instabili come quelli a base di silicato di litio. In seguito alla formatura, il vetro viene riscaldato fino a ottenere una devetrificazione con riduzione della fase amorfa a non più del 50%, catalizzata da agenti nucleanti (metalli) o da microliquazioni (ottenibili in vetri con biossido di titanio). Le composizioni ottenute presentano valori bassissimi di dilatazione termica (57*19alla -7°C) e ottime proprietà meccaniche (modulo di rottura 13-16*10^8dyn/cm2). Il vetro precursore viene fuso, lavorato e fatto raffreddare prima di operare i trattamenti termici che inducono la crescita della fase cristallina. Dalla composizione e percentuale della fase vetrosa e di quella cristallina si possono ottenere vetroceramiche con particolari proprietà ottiche, elettriche, termiche e meccaniche, materiali questi che hanno trovato maggiore impiego in sei principali categorie: piani di cottura, articoli da cucina, componenti per l’elettronica, materiali di impiego medico ed odontoiatrico, vetroceramica ad alta resistenza e vetroceramica per l’ottica. Pannelli per cucine a bassa espansione termica, coperture per serre e porte antincendio sono oggi le più economicamente importanti applicazioni di tali materiali.

Un esempio di applicazione di vetroceramica a basso coefficiente di espansione termica è costituito dai piani di cottura delle cucine (per i quali viene destinata la maggior parte della produzione di vetroceramica). Tale applicazione è dettata dalla necessità di avere superfici trasparenti, facilmente pulibili e soprattutto capaci di resistere a shock termici (ΔT ~700°C) senza apprezzabili variazioni di volume. Il basso coefficiente di espansione termica (±0.1 * 10^-6/K) è dovuto alla precipitazione di soluzione solida di cristalli di quarzo beta (ß-quartz solid solution) da un vetro di partenza del tipo Li2O-Al2O3SiO2.

La caratteristica dei cristalli di quarzo beta ss sta nel loro coefficiente di espansione termica negativo che contrasta ed annulla quello positivo della matrice vetrosa generando come conseguenza un coefficiente pressoché nullo per l’intera vetroceramica. Tuttavia è da notare come il costo delle vetroceramiche sia nettamente superiore a quello del vetro comune, fatto questo che impone il loro utilizzo solo dove la necessità di un basso coefficiente di espansione termica giustifica un considerevole aumento del costo. È infrangibile ed è estremamente resistente a sostanze corrosive.

Le caratteristiche di ottima permeabilità ai raggi infrarossi, minima dilatazione termica e resistenza ottimale agli shock termici rendono adatta la vetroceramica nella produzione dell’elemento esterno, mentre l’elemento interno deve presentare caratteristiche totalmente diverse: alta refrattarietà e capacità di assorbire e rilasciare il calore in tempi dilatati.

Per questo è indicato utilizzare una terracotta: ha un basso coefficiente di trasmissione del calore, quindi è un buon isolante, e utilizzando una massa consistente di materiale si comporta come un magazzino di calore in quanto riesce a mantenere al suo interno una quantità di energia che rilascia in maniera costante e diluita nel tempo.

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Polimeri La versatilità della ceramica non si ferma alle caratteristiche fisico-chimiche ma si nota anche nelle lavorazioni possibili.

La ceramica sotto forma ancora di pasta umida di argilla o in granuli secchi può essere lavorata in diverse maniere: • Calibratura alla crosta o alla palla, a seconda se il panetto di argilla posto su un piano rotante venga sagomato da degli strumenti sul lato esterno o sul lato interno; colaggio in stampo.

• Foggiatura a colombino, il metodo più tradizionale del rotolo di argilla gradualmente attorcigliati e sovrapposti fino a formare la forma desiderata; • Fresatura.

• Tornitura.

• Pressatura ad alta pressione, adatta ai componenti con alte tolleranze come componenti elettronici.

• Pressatura ram.

• Slip casting, per avere risultati simili al rotomoulding delle plastiche.

• Stampaggio ad iniezione, utilizzato soprattutto nelle ceramiche tecniche con contenuto di resine.

Entrambi gli elementi costitutivi possono essere realizzati, dal punto di vista produttivo, mediante colata in stampo. Mentre nell’elemento interno basta una bicottura e una smaltatura, l’elemento in vetroceramica ha un processo produttivo più complesso che permette alla massa vetrosa addizionata con i metalli di trasformarsi in vetroceramica vera e propria che consiste in una formatura, una prima cottura, un raffreddamento e soprattutto una ricottura a parametri controllati per permettere la formazione del reticolo cristallino.

L’elemento di contenimento dell’elettronica è costruito in materiale polimerico termoindurente, che coniuga la versatilità utilizzativi, dovuta alle caratteristiche fisiche, alla semplicità di lavorazione.

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Le materie plastiche si dividono in due classi fondamentali: termoplastiche e termoindurenti. La distinzione si basa sulla struttura molecolare dei composti e sul loro comportamento al calore in fase di lavorazione. Durante lo stampaggio di un termoplastico non avviene alcuna reazione chimica e la formatura non è irreversibile perché le termoplastiche possono essere riportate allo stato plastico e poi di nuovo allo stato solido senza che perdano sensibilmente le loro caratteristiche; le resine termoindurenti si ottengono invece per policondensazione. Il policondensato è un materiale termoindurente perché in fase di lavorazione, quando viene riscaldato e sottoposto all’azione della pressione, si determina una reazione chimica che provoca una ristrutturazione a carattere irreversibile della molecola: una volta formato, un termoindurente non è più ricuperabile.

Sono termoindurenti per esempio, le resine fenoliche, le melaminiche, le ureiche e le poliestere.

La resina termoindurente più adatta è la resina melamminica, che a partire dalla forma in polvere è possibile lavorare a stampaggio a compressione o laminare in fogli. Viene prodotta dalla policondensazione della formaldeide con la melammina. Si ottiene una resina incolore e inodore, resistente all’acqua, agli agenti chimici, all’abrasione, al calore e con una notevole trasparenza alle radiazioni luminose soprattutto nel violetto. Il prodotto derivante dalla policondensazione viene poi essiccato, macinato e additivato. La polvere così ottenuta viene stampata a 130-170°C. Durante lo stampaggio avviene la reticolazione formando così un polimero infusibile.

La sigla che identifica la melammina-formaldeide in base alle normative DIN 7728 e 16780 è mf.

Induttori Gli induttori sono in realtà degli avvolgimenti in rame capaci di creare un campo elettromagnetico che va a creare delle correnti parassite all’interno del carico e, in questa maniera, produce calore.

Tecnicamente la forma più adatta per realizzare un induttore è una spirale posizionata in verticale, in modo da investire con il campo elettromagnetico il carico in maniera ottimale.

In questo caso la spirale induttrice è realizzata in rame ed è annegata in una colata cilindrica di materiale isolante, in modo da evitare qualsiasi contatto con il carico che vanificherebbe l’effetto induttivo.

Il collegamento tra induttore e scheda di controllo è realizzato con un filo di rame rivestito in kevlar, per garantire stabilità e protezione anche in presenza di temperature elevate.

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Acciaio riscaldatori Esistono diversi tipi di acciaio inox, con differente resistenza alla corrosione in funzione dell’analisi chimica e quindi degli elementi in lega presenti normalmente.

Tuttavia, “in cucina” si utilizza quasi esclusivamente l’acciaio inossidabile AISI 304 austenitico (en 1.4301 per dirla con una sigla europea), comunemente definito 18-8 o 1810,rispettivamente le percentuali del cromo (18) e del nichel (8 o 10) presenti nella lega.

Gli acciai inox della serie 400, per esempio i “ferritici” come l’AISI 430 (en 1.4016 come sigla europea) vengono utilizzati normalmente per parti che sono lavate e mantenute regolarmente -come ad esempio il cestello delle lavatrici, oppure alcuni articoli “manodomestici”- e presentano un aspetto estetico leggermente diverso all’AISI 304. Sono essenzialmente delle leghe binarie ferro-cromo contenenti il 12-30% di cromo.

Vengono chiamati ferritici in quanto la loro struttura, dopo i normali trattamenti termici, rimane ferritica. In particolare l’AISI 430 ha un 17% di Cr, un carico di rottura di 517 MPa, un carico di snervamento di 345 MPa ed un allungamento (su 50mm) del 25%.

La produzione industriale dell’acciaio viene realizzata mediante varie tecnologie: • Colata.

• Forgiatura.

• Stampaggio.

• Iniezione.

• Estrusione.

• Imbutitura.

Nel caso dello scaldavivande gli elementi riscaldanti sono prodotti mediante colata in stampo dell’acciaio, tecnologia produttiva semplice ed economica.

Le caratteristiche di questa tipologia di acciai sono di fondamentale importanza per quanto riguarda la cottura a induzione. I fondi delle pentole utilizzate per questo tipo di cottura sono realizzati infatti con acciai di tipo ferritico in quanto dotati di elevata conducibilità magnetica. Svolgendo la funzione di carico ferromagnetico, esso interagisce con la bobina induttrice all’interno del piano di cottura producendo calore.

Gli altri acciai inox, sempre della serie 400, però “martensitici”, per esempio l’AISI 420, essendo molto “duri” vengono prevalentemente impiegati per organi di taglio, come lame di coltelli, ecc.

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Disegni tecnici esecutivi quotati Elemento superiore – pianta Elemento superiore – pianta dal basso Elemento superiore – particolare Elemento superiore – sezione Contenitore inferiore – pianta Contenitore inferiore – prospetto frontale Contenitore inferiore – sezione Contenitore inferiore – particolare Contenitore inferiore – note Prospetto frontale Sezione – note Sezione Elemento sigillante – pianta Elemento sigillante – sezione Riscaldatore – pianta e sezione Induttore – pianta e sezione

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T.002.001 • T.002.002 • T.002.003 • T.002.004 • T.002.005 • T.002.006 • T.002.007 • T.002.008 • T.002.009 • T.002.010 • T.002.011 • T.002.012 • T.002.013 • T.002.014 • T.002.015 • T.002.016 •

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Appendice

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Fonti Introduzione: • http://www.energoclub.it/doceboCms/page/42/Risparmio_ energetico.html • http://www.zadig.it/ambiente/a/d.htm • http://www.visurnet.com/risparmio_energetico.htm • Alastair Fuad-Luke, Eco Design progetti per un futuro sostenibile, Logos 2003 • http://www.worldsocialagenda.org/archivio/ 07%20Impronta%20ecologica.htm • http://it.wikipedia.org/wiki/Impronta_ecologica • http://pthbb.org/natural/footprint/ • http://www.footprintnetwork.org/gfn_sub. php?content=maps_page • http://it.wikipedia.org/wiki/Casa_passiva • http://www.paea.it/galleria_bioedilizia/gall_casapassiva_euz. htm Metodi di cottura tradizionali: • http://www.kitchens.it/articolo.asp?art=1871 • http://www.angolodelgusto.it/corso/tecnichedicottura.htm • http://it.wikibooks.org/wiki/Libro_di_cucina/Tecniche_di_ cottura • http://www.benessere.com/alimentazione/scuola/met_cottura. htm Piani di cottura attuali: • http://bravacasa.corriere.it/Utile/Elettrodomestici/2006/02_ Febbraio/index.shtml • http://www.ambientieoggetti.com/aziende/rex11.asp • http://www.wwf.it/educazione/progettiscuola/doc/8095ecoguida%2009-07-05.pdf • http://www.rica.it/zoppas01/heating/eu_it/products/products. jsp?open=true&source=products&id=8

Induzione elettromagnetica: • http://www.galileimirandola.it/elettro/TERZA/EMAGNE/ EMAGNE03.HTM • http://it.wikipedia.org/wiki/Elettromagnetismo • http://it.wikipedia.org/wiki/Diamagnetismo • http://it.wikipedia.org/wiki/Campo_elettromagnetico • http://www.vitobarone.it/teoria/induz.htm • http://www.ameritherm.com/ • http://www.poweron.ch/it/umwelt/content---1--1198.html • http://www.induction.it/ Modelli di riferimento: • Domitilla Dardi, il design di Alberto Meda una concreta leggerezza, electa 2005, pag. 132 • Valentina Croci, idee per la casa del futuro, Ottagono n° 187, Febbraio 2006, pag. 91 • http://www.arcoweb.com.br/design/design9.asp • http://www.metropolismag.com/html/content_0402/kit/kit_ chef_microwave.html Interfaccia: • http://www.virtual-laser-keyboard.it/f-a-q.asp • http://www.tecnocino.it/articolo/tastiera-a-proiezione-incredibile-ma-vero/613/ • http://www.ecplanet.com/canale/ricerca-8/Ricerca-50/ tastiera+che+non+esiste-/0/7735/it/ecplanet.rxdf • http//www.morse.it/contenuti/1168.php • www.lumio.com • www.canesta.com Finiture e materiali: • Chris Lefteri, Karim Rashid, ceramica materiali per un design di ispirazione, Logos 2005 • Marinella Ferrara, materiali per il design, Lupetti 2005

Aziende contattate: • Lumio 325 Sharon Park Drive, Suite 710 Menlo Park, California, 94025 USA tel: +1 650 587 1553 fax: +1 650 618 1999 email: business@lumio.com • Hpch Engineering via delle Regioni, 32 - 20090 Segrate (MI) tel: +39.02.26952422 fax: +39.02.21879383 email: info@hpch.it management@hpch.it engineering@hpch.it • Giga Grandi Cucine via Pisana 336 Olmo. 50018 Scandicci (FI). tel: +39-055-721305. fax: +39-055-7310056 email: info@gigagrandicucine.it • Giorik SPA via Cal Longa 45 32030 Paderno San Gregorio Nelle Alpi (Bl) tel: +39.0437.807200 fax: +39.0437.807001

Corso di laurea specialistiche in disegno idustriale del prodotto - IUAV

.La presente tesi è stata realizzata nell’anno 2006 2007 con la supervisione del Professor Marco Zito :Sentiti ringraziamenti per l’aiuto a .prof. Zito, prof. Trevisan, prof. Ciammaichella, prof. Meda .A: Francesco, Anna Vera, Giacomo, Claudio, Chiara, Alberto, Carlo, Orazio, Margherita :E ancora grazie a Dott. Gianluca Nolli, IBM, DELL Computers .e alle aziende che mi hanno fornito materiale prezioso