Automatização de um destilador d'água
INTRODUÇÃO
Sem dúvida alguma, o solvente mais utilizado em um laboratório químico é a
água. Esta deve ter pureza adequada e, apesar das possíveis alternativas para
se alcançar tal qualidade, a destilação convencional é ainda a maneira mais
comum. Embora de funcionamento bastante simples, esta técnica acaba por
consumir uma considerável quantia de energia elétrica e água, além de cuidados
constantes de uma ou mais pessoas do laboratório que se responsabilizam por sua
operação. Assim, dispositivos ou sistemas que otimizem seu funcionamento são
sempre bem vindos a um laboratório com um consumo considerável de água
destilada.
Nesta nota, descrevemos um sistema que controla o aquecimento e o fluxo de água
de alimentação de um destilador, de modo a manter dentro de certos limites o
nível de água destilada no reservatório onde é coletada. Este sistema foi
implementado com componentes de baixo custo e pode ser facilmente modificado
para se adequar aos equipamentos e necessidades de outros laboratórios.
PARTE EXPERIMENTAL
O destilador automatizado foi um MARCONI modelo MA078, 220V e 3000W. Para
tanto, foi necessário fazer uma análise do circuito eletrônico do destilador
que controla as resistências de aquecimento. A figura_1 mostra o diagrama de
blocos do Circuito Controlador de Potência (CCP) original. De modo
simplificado, o CCP possui duas chaves do tipo push button, sendo uma
normalmente aberta (NA) para ligar o destilador e outra normalmente fechada
(NF) para desligá-lo. Estas chaves não controlam diretamente as resistências,
mas sim um tiristor (TRIAC) de potência que executa esta tarefa. Assim, por
estas chaves, passa uma pequena corrente quando comparada àquela que aquece as
resistências. Para proteção contra superaquecimento, o destilador é equipado
com disjuntores térmicos em pontos críticos.
UNIDADE CONTROLADORA DE NÍVEL (UCN)
A finalidade da UCN é simular as atividades do operador que, baseado no nível
de água destilada do reservatório, liga ou desliga o destilador. O nível é
acompanhado através de um sistema de bóia e chaves magnéticas (reed switches)
que será detalhado na próxima seção.
O acionamento é feito através da colocação de dois relês em paralelo com as
chaves originais da CCP para ligar e desligar o aquecimento. Como estas chaves
são do tipo push button, o acionamento destes relês deve ser feito por um breve
período de tempo.
A figura_2 mostra o circuito da UCN, enquanto a figura_3 mostra como este deve
ser acoplado ao CCP. O conjunto D1, R1, R2, Z1, Z2 permite que o capacitor C1
seja carregado a 9,4 V em, aproximadamente, 12 segundos. Quando RS1 ou RS2 é
acionado pela bóia magnética o capacitor C1 se descarrega acionando RL1 ou RL2,
respectivamente, por um período pouco menor que um segundo. RS1 é acionado
quando o nível d'água está baixo. Assim, RL1 substitui a função da chave
"liga" do CCP. Para tanto, são utilizados os contatos b e c de RL1.
Quando o reservatório estiver cheio, RS2 e, por conseguinte, RL2 são acionados,
desligando o destilador. Isto é conseguido conectando os terminais a e b de RL2
com os da chave "desliga" do CCP.
SENSOR DE NÍVEL
A figura_4 mostra o posicionamento do sensor de nível no reservatório d'água.
Os reed switches RS1 e RS2 foram colocados em diferentes alturas na parte
externa e indicam, respectivamente, os níveis d'água quando o destilador deve
ser acionado e quando o tanque está cheio. Na face interna do reservatório, foi
colocado um tubo de vidro aberto em suas extremidades, servindo de guia para a
bóia magnética que aciona estes reed switches.
A bóia foi confeccionada usando uma seringa hipodérmica da marca Plastipak de 3
mL e de parede fina. As legendas externas de seu corpo foram raspadas para
evitar contaminação. As alças foram removidas e o bico da seringa foi fechado
por aquecimento para evitar a entrada de água. O êmbolo interno foi cortado de
forma a deixar um pequeno pedaço da haste preso à peça de borracha. O imã,
vendido como par do reed switch, foi colocado, sem a proteção plástica, no
interior da seringa.
O tubo de vidro possui parede fina e a altura interna do reservatório. Isto
porque existe uma distância máxima ¾ que é dada pela soma das espessuras das
paredes do reservatório e da seringa e a distância desta até o imã ¾ para que o
reed switch seja acionado.
CONTROLE DE VAZÃO DE ÁGUA DE ALIMENTAÇÃO
Para permitir economia de água, é necessário interromper o fornecimento desta
quando o destilador é desligado. Isto é conseguido usando uma válvula de
entrada d'água usada em máquinas de lavar roupa (Brastemp), que são do tipo NF,
ligada em paralelo com as resistências de aquecimento (figura_3). Assim, toda
vez que o destilador é acionado, a válvula de entrada é ligada juntamente com
as resistências de aquecimento.
Embora tenha sido projetada para operar por curtos intervalos de tempo, a
válvula utilizada por nós encontra-se em perfeito funcionamento há vários
meses, sendo acionada por ciclos de várias horas.
DISCUSSÃO
A distância h entre RS1 e RS2 (figura_4) determina o período no qual o
destilador funciona. Para valores pequenos de h, o número de vezes que
destilador é acionado ao longo do dia deve ser grande. Isto acarreta um consumo
maior de energia elétrica e água, pois, em cada uma das vezes, a água da
caldeira deve atingir o ponto de ebulição. Por outro lado, caso seja utilizado
um valor grande de h, corre-se o risco do reservatório ser esgotado antes que o
destilador tenha capacidade de repor seu conteúdo. Esta distância pode ser
calculada com base na capacidade de produção de água destilada, consumo médio
do laboratório e área de base do reservatório.
Deve-se notar que, caso falte energia elétrica enquanto a bóia estiver nas
proximidades ou abaixo de RS1, o destilador só poderá ser acionado manualmente.
Aliás, os controles manuais continuam funcionando sempre e o operador pode, a
qualquer instante, ligar ou desligar o destilador.
Embora tenha sido construído e utilizado em um conjunto específico de
equipamentos, várias adaptações podem ser feitas a fim de adequar a montagem a
outras situações. A seguir algumas sugestões são descritas.
Uma grande variedade de destiladores normalmente encontrados nos laboratórios
não possuem um CCP como o apresentado, mas sim um interruptor do tipo liga-
desliga. Para se utilizar a UCN neste caso, basta substituir esse interruptor
por um do tipo chave de partida direta monofásica ou trifásica (chave
magnética) da SIEMENS ou similares. Os contatos de RL1 e RL2 devem ser
conectados aos dos botões de comando desta chave.
Para evitar acidentes, é necessário colocar disjuntores térmicos em pontos
estratégicos do destilador. Esses disjuntores são encontrados no comércio de
componentes eletrônicos. No caso do aparelho citado, são utilizados dois destes
dispositivos: um colocado no lado externo da caldeira e próximo ao nível d'água
e outro na saída do condensador. O primeiro protege contra falta d'água e o
segundo, contra a perda de vapor por refrigeração insuficiente.
A UCN não precisa funcionar com a mesma voltagem da rede elétrica do
destilador. Com os valores apresentados na figura_2, pode-se operar tanto em
110 como em 220 V. No entanto, o tempo de carga de C1 será aproximadamente duas
vezes maior em 110V. Para reduzir este tempo, basta remover R1 ou trocar R1 e
R2 por outros com a metade do valor original.
Os diodos zener Z1 e Z2 podem ser substituídos por qualquer outra combinação
que resulte em soma de tensões entre 9,5 e 12 V. É perfeitamente possível
utilizar também um único diodo com tensão desta ordem, desde que de mesma
potência. Outros valores podem ser utilizados caso os relês RL1 e RL2 sejam
substituídos por outros de tensão de acionamento diferente. Uma grande
variedade de relês com tensão entre 5 e 24 V, normalmente encontrados no
mercado, podem ser utilizados.
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