Sobre termobloco e caldeiras

[Alexandre Velloso]

Salve Lucas.

 

Obrigado pela explicação.

Então, colocando as ações em ordem cronológica teremos:

 

1 - Acionamento da chave liga-desliga que permite o fornecimento de energia a resistência que é apenas o grosso tarugo de liga de cobre inserido no termobloco;

 

2 - irradiação da energia para a massa do termobloco, aquecendo-o;

 

3 - Irradiação desta mesma energia para o líquido que está dentro da coluna existente no corpo do termobloco, transferida pela parede interna desta coluna;

 

4 - Aumento da temperatura do líquido até próxima a quantidade de °C gerada pela resistência, pois há alguma pequena perda já que a eficiência não será de 100%;

 

5 - A energia, na forma de calor, provoca a expansão da massa do líquido e com isso aumenta a pressão interna na coluna, que bloqueada na ponta de suprimento por uma válvula de um único sentido e que evita o retorno do líquido. Este é o fenômeno da compressão e faz com que o líquido, e gás se houver, movimentem-se para a ponta de saída que é livre, consequentemente aliviando a pressão dentro da coluna;

 

6 - Uma vez aliviada a pressão interna na coluna e liberado o espaço, nova quantidade de água fria é suprida e, ato contínuo, se repetem as ações citadas anteriormente.

 

Assim, pode-se enumerar 3 variáveis importantes no processo.

 

1 - Potência da resistência em relação a condutividade térmica das massas e calores específicos dos outros 2 corpos envolvidos que são o material do termobloco e o líquido;

2 - Pressão produzida pela bomba;

3 - Capacidade cúbica da coluna que definirá o volume de líquido em seu interior, que será a massa total deste líquido.

 

Para ilustrar, segue a foto de um exemplar. Note as proporções entre a bitola da resistência, o calibre da coluna e a massa do conjunto.

 

Concluindo, há muita energia aplicada em pouca massa de liga leve e pouco volume de líquido.

 

 

 

[leonardopm]

Bom, resolvi reler o tópico todo e finalmente consegui entender tudo. E olha que não bebi nada...

 

Sabe, eu acredito que a escolha das soluções termobloco é ideal para máquinas monodose justamente porque o fato da dose ser conhecida (e geralmente pequena) faz com que não se precise compensar o efeito da queda de temperatura durante a extração. Calcula-se o volume / potência do termobloco para aquela aplicação e pronto. Mas já no caso de uma Dolce Gusto, onde as doses variam bastante, acredito que a resistência tenha que ser acionada no meio do processo, já que a queda deverá ser bem maior em alguns casos.

 

Assim como disse o Luis acredito que esse problema só pode ser corretamente equacionado com testes, pois as trocas de calor serão variáveis nos diferentes momentos da extração, em função da diferença de temperatura entre o termobloco e a água.

[Alexandre Velloso]

Salve Léo.

 

Acho que tocastes no ponto chave sobre as monodoses. O processo é sempre igual. não importa qual pó estará dentro da pastilha ou da cápsula. A máquina sempre agirá da mesma forma. As variáveis não estão no funcionamento da máquina, a não ser pela quantidade de água, que pode ser definida pelo usuário.

A adequação se fará na cápsula ou na pastilha, por alteração na dosagem do pó ou na granulometria do mesmo. Como o fabricante pode testar granulometria e dosagem conforme o tipo de grão ou mistura de grãos usados, ele o adequará e montará a cápsula ou sachet conforme a necessidade específica. Mesmo na Dolce Gusto ou na Keurig, que envolvem outros produtos em suas cápsulas, como o leite em pó para cappuccinos,

[Rodrigoks]

Pois é. Entretanto, o problema da imprecisão do termostato permanece. Legal seria medir empiricamente a temperatura com que a água chega na cápsula, o que não sei se é fácil. Se a peça que leva a água até a cápsula for de um metal relativamente fino, até dá pra medir a temperatura por ali.

[Alexandre Velloso]

Salve Rodrigo.

 

Em todas máquinas que já abri, a partir da saída do termobloco, são usados materiais de plástico e borracha para a condução da água até o grupo. E nas mono doses e super automáticas, nas quais não há grupo, plástico é empregado.

E reafirmo que o termostato, quando existe e existe na maioria, é importante para desligar a resistência no ponto da máxima temperatura projetada, por questão de segurança.

 

Nas máquinas Nespresso, Dolce Gusto, Senseo e Keurig é capaz de haver espaço para passar o fio da sonda de um termopar sem comprometer muito a vedação. Ou medir a temperatura de saída do café e estimar a perda de C° na passagem pelo conjunto cápsula/pó.

[Bernardo B]

 

 

Vamos ligar nossa bomba, com um fluxo de 120 mL / minuto. No primeiro segundo, entram 2g de água a 20 ºC no sistema de aquecimento.

O calor específico da água é 4,18 J / (g x ºC). Isto significa que precisamos fornecer 4,18 J de energia para cada 1g de água para que sua temperatura suba em 1 ºC

Então esta água que entra, ao subir de 20 p/ 100 ºC, absorve 2g x 80 ºC x 4,18J/gºC = 668,8 Joules de energia.

 

A energia absorvida pela água e cedida pelo sistema de aquecimento têm que ser iguais (Pois a energia não se cria nem desaparece do nada)

A capacidade térmica do sistema de aquecimento é Cs = (m1 x c1 + m2 x c2)

A variação de temperatura do sistema de aquecimento então é dT = 668,8 / Cs

.

 

Obs: a vazão, sem carga, da bomba Ulka é de 500 a 600 ml / min. Eu medi a vazão na saída do grupo da Graef (termobloco) e deu em torno de 340 ml / min. Ainda, consegue atingir temperatura máxima de extração de 96 oC. A potência nominal é de 2200 W, em dois termoblocos, um para o grupo servido por uma Ulka de 15 bar o outro para vapor (e água quente) por outra bomba de 6 bar.

A água quente é nitidamente pulsada, enquanto no grupo não há pulsação perceptível.

[Bernardo B]

Como estou pretendendo começar (devagarinho) a consertar a Graef, estou vendo de documentar o antes e depois.

Com a vaporização não tenho tido grandes problemas, de todas formas fiz este vídeo, vaporizando com uma gota de detergente.

A Graef tem um termobloco e uma bomba de 6 bar, exclusivas para vaporizar, e outro termobloco e a ULKA de 15 bar para extração e dispensar água quente.

 

 

Como mencionei no post anterior, a vazão de extração da minha Graef é de 360ml, como a vazão teórica é de 500 - 600 sempre pensei que a bomba estaria com algum problema, tanto que já estou com uma nova original, para trocar.

Mas o motivo pela menor vazão poderia ser outro: a água deve circular pelo termobloco, através de um cano fino de inox, o que muito possivelmente iria limitar a vazão ...

[Mortari]

Não conhecia esse tópico e achei muito interessante, visto que tenho uma máquina que não é monodose e que trabalha com termobloco.

 

Lendo o post #11 do Bernardo, notei que a minha máquina tem um comportamento praticamente igual de aquecimento, exceto pelo controle de temperatura que é por termostato simples e não eletrônico como na Graef. Ela também fica um bom tempo com a luz da resistência ligada no início para aquecer o termobloco, faz o tal do backflush na bandeja (acho que é uma válvula 3 vias que libera a pressão do termobloco quando ele quente, com água e a extração não está ocorrendo), a luz da resistência apaga indicando que teoricamente o termobloco estaria pronto para a extração, porém só depois de uns 20 minutos é ela fica realmente no ponto, momento em que o grupo e o PF ficam realmente pelando.

 

Eu já abri a minha máquina e o termobloco dela não tem nada de parecido com esses das fotos postadas (tipo ferradura), é uma massa cilíndrica de alumínio relativamente grande e não só um duto anexado a uma resistência. Vou abrir a máquina pra refrescar a memória (e as idéias) e tiro umas fotos, mas é mais parecido com isso aqui:

 

Agora, uma coisa que eu já tinha pensado, mas ainda não tive coragem (e tempo e $$) pra estudar e tentar fazer, é um controle mais eficiente e ativo de temperatura no termobloco de extração. Não sabia que a Graef trabalhava dessa forma, com termobloco e controle de temperatura por software (acho que a ZPM trabalha assim também, não?). Imagino que o termobloco faça toda a diferença na agilidade de resposta para um controle de temperatura mais ativo. Não falo em "agilidade de resposta" da resistência visando à estabilidade térmica do conjunto, mas sim na maior facilidade de você trazer, em bem menos tempo, o termobloco para a temperatura desejada de extração e, com isso, poder alterá-la de forma mais rápida entre as extrações (para achar a melhor temperatura de extração de determinado grão, por exemplo), sem ter que esperar toda a massa de água da caldeira chegar à temperatura desejada. Acredito que, com um gerenciamento eficiente da atuação da resistência (PID ou Arduino, por exemplo), deve ser mais fácil brincar de controlar a temperatura da extração com o termobloco do que com a caldeira.

[Mortari]

Agora fiquei curioso Guilherme: porque o termobloco "enseja maior variação de temperatura durante à extração" em comparação à caldeira?

[Guilherme Torres]

Porque ele só é acionado quando o termostato atinge determinada temperatura (há um lag). Ainda que o termostato também só seja acionado nessas condições em máquina de caldeira (boiler), em razão de possuir mais água dentro do sistema, há, em tese, uma variação menor de temperatura durante a extração. Isso é atenuado, obviamente, com o uso de um controlador eletrônico de temperatura (PID), que acelera (por predizer, utilizando os parâmetros Proporcional, Integral e Derivativo, quando será necessário liberar energia ao sistema) o tempo de resposta.

Por exemplo, uma das máquinas do Bernardo (agora não me vem o nome na memória - lembrei - a GRAEF) possui termobloco. No entanto, em face da velocidade de controle da temperatura e da excelente construção dela, proporciona extrações muito equilibradas e precisas quanto à temperatura.

[Guilherme Torres]

Acho que é por isso. Posso estar viajando na maionese também.

[Guilherme Torres]

Essa aqui

 

[Rodrigoks]

Porque ele só é acionado quando o termostato atinge determinada temperatura (há um lag). Ainda que o termostato também só seja acionado nessas condições em máquina de caldeira (boiler), em razão de possuir mais água dentro do sistema, há, em tese, uma variação menor de temperatura durante a extração. Isso é atenuado, obviamente, com o uso de um controlador eletrônico de temperatura (PID), que acelera (por predizer, utilizando os parâmetros Proporcional, Integral e Derivativo, quando será necessário liberar energia ao sistema) o tempo de resposta.

Por exemplo, uma das máquinas do Bernardo (agora não me vem o nome na memória - lembrei - a GRAEF) possui termobloco. No entanto, em face da velocidade de controle da temperatura e da excelente construção dela, proporciona extrações muito equilibradas e precisas quanto à temperatura.

 

Acho que o PID (por si só, sem nenhum truque eletrônico adicional de controle de temperatura) só ofereceria real vantagem quanto à temperatura inicial de extração. Porém, isso por si só já vale.

 

Tenho lá o palpite que um termobloco massudo é capaz de sair mais caro que uma caldeira média a grande. Daí só vai encontrar termobloco em máquinas menores.

 

Triste ver que em 2014 a tecnologia de controle de temperatura das máquinas de espresso é baseada ainda em grandes massas de metal e água aquecida.

[Bernardo B]

Essa é a pequena: a Graef ES 85, a minha é a maior, a Graef ES 90, com dois termoblocos, são realmente bem maiores que os outros que tenho visto.

[sergio.m]

Triste ver que em 2014 a tecnologia de controle de temperatura das máquinas de espresso é baseada ainda em grandes massas de metal e água aquecida.

Rodrigo, então você acha que o melhor seria ser sempre termobloco?

[Rodrigoks]

Não. Pra mim seria legal se inventassem um sistema que não precisasse aquecer massa desnecessária nem de metal, nem de água. Se um termobloco bem leve conseguisse fazer isso, quem sabe, mas não é necessariamente o que eu pensava.

[Mortari]

Outro dia abri a BBD pra tirar umas fotos e estudar a possibilidade de fazer alguns MODs na máquina: colocar PID, talvez isolar o segundo grupo apenas pra vapor ou adaptar outro grupo comercial pra ficar com os 2 grupos totalmente funcionais, colocar OPV, trocar o braço de vapor por um maior e atriculado etc.

 

Vejam como são os termoblocos dela, achei bem parrudos pelo que andei pesquisando (não encontrei muita referência, me parece que são poucas as máquinas que trabalham com termoblocos assim):

 

 

Não cheguei a medir, mas acho que eles tem algo em torno de 3~4cm de espessura e me parece que são divididos em 2 partes, parafusadas uma sobre a outra. Imagino que sejam daquele tipo que tem uns sulcos internos em espiral.

[Carneiro]

Bacana a máquina por dentro.

 

Acho que termoblocos são estigmatizados, mas até comercialmente teriam espaço. Hoje é bem viável fazer um bom projeto que controle a resistência de acordo com o fluxo de água etc. Aposto que logo aparecerá mais máquinas comerciais usando, além das de sache.