BR102017025569A2 - Dispositivo híbrido de controle da vazão e temperatura da água - Google Patents

Abstract

a presente invenção combina as características de um chuveiro elétrico com as características de um misturador de água ?fria? (temperatura ambiente) e água quente proveniente de um sistema de aquecimento de água. sendo o dispositivo controlado por um microprocessador, que tem como parâmetros as temperaturas e vazões das entradas, com o objetivo de manter as saídas do dispositivo (temperatura e vazão) constantes, sendo esses os parâmetros solicitados pelo usuário. esse dispositivo é utilizado em conjunto com sistemas aquecedores de água (solar, gás, etc.) (1), e instalado antes de duchas e torneiras convencionais (7), substituindo o uso de torneiras e chuveiros elétricos a fim de evitar que seja desperdiçada a água acumulada nas tubulações, além de propiciar um banho mais uniforme e com características pessoais, inicialmente aquecendo-a por meio de uma resistência elétrica a uma temperatura e vazão ajustada pelo usuário na interface homem máquina (8). de acordo com as leituras de vazão e temperatura das entradas de água quente (3) e fria (4) e suas relações com o valor ajustado para a saída por uma interface, são feitos cálculos por um microcontrolador e a resistência elétrica será alimentada proporcionalmente por um controlador de potência, ao mesmo tempo em que a temperatura e vazão serão controladas pela entrada de água quente e fria através de duas válvulas proporcionais instaladas nas entradas de cada tubulação.

Description

DISPOSITIVO HÍBRIDO DE CONTROLE DA VAZÃO E TEMPERATURA DA ÁGUA

RELATÓRIO DESCRITIVO

[001] O DISPOSITIVO HÍBRIDO DE CONTROLE DA VAZÃO E TEMPERATURA DA ÁGUA pode ser utilizado em residências, hospitais, academias, clubes, comércios e qualquer outro local onde haja um sistema aquecedor/acumulador de água, seja esse a gás, solar, entre outros. O sistema utiliza conceitos teóricos e práticos de eletrônica, elétrica, mecânica, instrumentação, controle e computação.

[002] ANTECEDENTES DA INVENÇÃO - No mundo se incentiva a utilização de aquecedores solares como forma de economia de energia elétrica, pois substitui o chuveiro elétrico, porém existe um inconveniente de sustentabilidade neste mecanismo. Como a água aquecida pelas placas fica armazenada no boiler (reservatório térmico) e, para ser utilizada, deve sair do armazenador e chegar até a torneira ou chuveiro, muita água é perdida diretamente para o ralo por não estar na temperatura desejada. Também se desperdiça água durante o ajuste manual de temperatura por meio dos registros presentes no banheiro. Estima-se que 5 a 10 litros de água potável são perdidos nestes processos a cada banho.

[003] O invento de título “CONTROLE DE TEMPERATURA AUTOMÁTICO PARA CHUVEIRO” - PI 0003032-5 A de 05/02/2002 apresenta um dispositivo capaz de controlar a temperatura de saída de uma torneira elétrica, chuveiro elétrico ou similares, através do controle da energia elétrica que alimenta a resistência elétrica por meio das medições de vazão e temperatura da entrada de água fria do sistema, contudo esse invento não controla a vazão do sistema, fazendo apenas a leitura desta, sendo a vazão do banho, por exemplo, controlada manualmente pelo usuário através de um ou mais registros.

[004] O invento de título “WATER-SAVING DEVICE” - CN 2896129 Y de 02/05/2007 apresenta um dispositivo mecânico de aproveitamento da água não aquecida contida na tubulação, fazendo-a recircular pelo sistema até que a água quente do boiler chegue ao dispositivo.

[005] O presente DISPOSITIVO HÍBRIDO DE CONTROLE DA TEMPERATURA E VAZÃO DA ÁGUA, também irá controlar a resistência elétrica para manter a temperatura da água de saída através do microcontrolador, porém apenas quando a água quente de entrada, advinda de um boiler (1 da Figura 1) por exemplo, não for suficientemente quente para manter a temperatura de saída igual ao valor desejado pelo usuário (por meio de uma interface homem máquina), o invento também é capaz de controlar a vazão de saída durante todo o banho através das válvulas proporcionais de entrada, FCV1 e FCV2 na Figura 2. O controle de vazão é realizado desde o início do banho, independentemente do estágio de controle da temperatura.

[006] BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS - A figura 1 ilustra de forma esquemática a posição, sobre a laje, em que o DISPOSITIVO HÍBRIDO DE CONTROLE DA TEMPERATURA E VAZÃO DA ÁGUA se dispõe na instalação residencial, assim como as entradas de água quente e água fria advindas do boiler e da caixa d'água, respectivamente.

[007] A figura 2 mostra o diagrama P&I do DISPOSITIVO HÍBRIDO DE CONTROLE DA TEMPERATURA E VAZÃO DA ÁGUA, o qual representa o processo de funcionamento, disposição dos instrumentos, sensores, controladores e atuadores e as ligações entre eles.

[008] O presente invento DISPOSITIVO HÍBRIDO DE CONTROLE DA VAZÃO E TEMPERATURA DA ÁGUA combina as características de um chuveiro elétrico com as características de um misturador de água "fria" (temperatura ambiente) e água quente proveniente de um sistema de aquecimento de água. Sendo o dispositivo controlado por um microprocessador, que tem como parâmetros as temperaturas e vazões das entradas, com o objetivo de manter as saídas do dispositivo (temperatura e vazão) constantes, sendo esses os parâmetros solicitados pelo usuário.

[009] Esse invento proporciona um banho constante, em que o usuário não precise regular a temperatura da água manualmente pelos registros, digitando, na interface homem máquina (IHM) (8 da Figura 1), os parâmetros desejados, fazendo com que a água já saia na temperatura ajustada para o banho. Por consequência, ele evita que a água contida na tubulação (3 da Erro! Fonte de referência não encontrada.) seja desperdiçada, aquecendo-a por meio de uma resistência elétrica, presente em 5 da Erro! Fonte de referência não encontrada. até que a água quente chegue ao dispositivo, o qual mistura a água quente (3 da Figura 1) com a água fria (4 da Erro! Fonte de referência não encontrada.) para a manutenção da temperatura da água desejada pelo usuário (6 da Erro! Fonte de referência não encontrada.).

[010] O outro parâmetro que o dispositivo controla é a vazão de saída, ao mesmo tempo que controla a temperatura, por meio da constante leitura dos fluxos de entrada e manipulação da abertura e fechamento de duas válvulas de controle proporcionais instaladas nas tubulações de entrada da água quente e fria.

[011] Como pode ser visto na Erro! Fonte de referência não encontrada., o dispositivo híbrido de controle da temperatura e vazão da água necessita basicamente dos itens apresentados abaixo, ou de componentes com funções eletrônicas/mecânicas similares: • 2 sensores de vazão/fluxo (FT1 e FT2); • 3 sensores de temperatura (TT1, TT2 e TT3); • 2 válvulas de controle proporcionais para controle da vazão (FCV1 e FCV2); • 2 válvulas solenoides NF para segurança do sistema (FV1 e FV2); • 2 válvulas solenoides NA para segurança do sistema (FV3 e FV4); • 1 resistência elétrica; • 1 microcontrolador (TIC, FIC e EC); • 1 interface homem máquina (IHM), instalada próximo ao local do banho, com botões para início do banho, ajuste de parâmetros e um display para leitura dos dados.

[012] O dispositivo híbrido de controle da temperatura e vazão da água inicia-se com a leitura do set point (valor desejado), ajustado pelo usuário, de temperatura e vazão através da interface. Em seguida, de forma autônoma, são feitas as leituras das temperaturas de entrada de água quente, pelo transmissor de temperatura TT1, e água fria, pelo transmissor TT2, instalados nas respectivas tubulações.

[013] Em seguida é feita a abertura da válvula controladora de vazão (FCV1) para entrada de água quente e da válvula controladora de vazão (FCV2) para entrada de água fria no sistema, após as aberturas das válvulas são feitas as leituras das vazões de entrada pelos sensores de vazão FT1 e FT2, cuja soma resulta na vazão de saída (parâmetro do Set Point). O controle de vazão é feito pelas válvulas proporcionais de entrada FCV1 e FCV2 para atingir o Set Point ajustado pelo operador.

[014] Caso a temperatura de saída lida pelo transmissor de temperatura (TT3) seja menor que o Set Point, a resistência elétrica será alimentada proporcionalmente para aquecer a água de saída até que a água quente advinda de algum tipo de aquecedor/acumulador (solar, gás, etc.) chegue à câmara de aquecimento, uma vez que a água contida na tubulação provavelmente estará fria. Por meio dos cálculos realizados pelo microcontrolador, é fornecida a potência necessária à resistência elétrica para manter a temperatura da água de saída próxima ao Set Point de temperatura, não desperdiçando energia elétrica.

[015] Conforme a temperatura da água da tubulação de água quente vai se elevando, a potência da resistência elétrica é diminuída proporcionalmente, pelo microcontrolador do sistema, de forma a manter a temperatura de saída próxima do valor desejado pelo usuário.

[016] Assim que a resistência estiver desligada totalmente, devido à água quente advinda do aquecedor, será iniciada uma nova etapa de controle.

[017] A abertura das válvulas de controle proporcionais de entrada de água quente e fria, FCV1 e FCV2, serão variadas mantendo o valor desejado de vazão conforme mencionado, ao mesmo tempo que essa abertura irá influenciar na temperatura de saída, almejando o Set Point ajustado pelo usuário, como por exemplo: [018] Tendo como Set Point do usuário para o seu banho, a temperatura de 40°C e a vazão de 10L/min, e sabendo-se que a temperatura da água quente na tubulação de entrada lido pelo transmissor de temperatura TT1 é de 60°C e a temperatura da água fria lida pelo transmissor de temperatura TT2 é de 25°C. Pelos cálculos realizados, o microcontrolador abrirá a válvula de controle proporcional FCV1 permitindo a passagem de 4,28 L/min de água quente e a válvula de controle proporcional FCV2 com 5,72 L/min de água fria.

[019] Esses valores de vazão são calculados através da equação de calorimetria Q = mcAT feita a todo instante pelo microcontrolador do dispositivo híbrido, nesta equação, Q é a energia fornecida à água por unidade de tempo; m é a vazão mássica da água; c é o calor específico da água e AT é variação da temperatura, que é a diferença da temperatura desejada pelo usuário e pelas lidas pelos sensores de temperatura TT1 e TT2.

[020] Os valores de energia calorífica entre água quente e água fria são igualados, achando então, uma proporção para as vazões de entrada da água quente e fria, que são reguladas pelas válvulas proporcionais e lidas a todo instante pelos sensores de fluxo FT1 e FT2, sendo a vazão de saída sempre a soma dessas duas leituras.

[021] O controle descrito acima será mantido durante todo o banho, com constantes leituras das temperaturas de entradas de água quente e fria por TT1 e TT2 e de saída pelo sensor de temperatura TT3, das vazões de entrada FT1 e FT2 para controle da vazão de saída através da atuação das aberturas das válvulas de controle de fluxo FCV1 e FCV2.

[022] Se, durante o banho, a temperatura da água quente, lida por TT1, diminua abaixo da temperatura de saída desejada, a resistência elétrica será ligada proporcionalmente, a fim de manter a temperatura de saída lida por TT3 próxima ao Set Point ajustado pelo usuário na interface homem máquina (8).

[023] Em casos de falta de energia elétrica no sistema, o usuário poderá utilizar o aquecedor solar normalmente, através dos registros manuais que o mesmo possui no banheiro, fazendo o controle manual da temperatura e vazão desejada. Obviamente, neste caso, não será possível ligar a resistência elétrica da câmara de aquecimento para manutenção da temperatura. Com a falta de energia, as duas válvulas de entrada de água quente e fria, FV1 e FV2, irão fechar as respectivas entradas da água quente e fria para a câmara de aquecimento onde se localiza a resistência elétrica, evitando a entrada de ar no sistema e refluxo nas tubulações. Quando a energia elétrica for reestabelecida, as válvulas FV1 e FV2 irão abrir novamente e o processo será estabilizado.

[024] Como forma de proteção do usuário e o correto funcionamento do sistema, são instaladas duas válvulas de controle FV3 e FV4 que estão fechadas quando o sistema está em funcionamento, impossibilitando o usuário de utilizar os registros manuais. Em caso de falta de energia, o dispositivo para de funcionar e essas duas válvulas voltam à posição original, normalmente aberta, liberando as tubulações para o usuário.

REIVINDICAÇÕES

Claims (10)

1 - DISPOSITIVO HÍBRIDO DE CONTROLE DA VAZÃO E TEMPERATURA DA ÁGUA (5), caracterizado por um microcontrolador multivariável (FIC, TIC, EC) que faz as leituras das vazões de entrada de água quente (3) por FT1 e de entrada de água fria (4) por FT2.

2 - DISPOSITIVO HÍBRIDO DE CONTROLE DA VAZÃO E TEMPERATURA DA ÁGUA (5), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um microcontrolador multivariável (FIC, TIC, EC), capaz de ler a temperatura de entrada de água quente pelo transmissor de temperatura TT1 e de entrada de água fria pelo transmissor de temperatura TT2, assim como a temperatura de saída, ajustada pelo usuário no início do banho, pelo transmissor de temperatura TT3.

3 - DISPOSITIVO HÍBRIDO DE CONTROLE DA VAZÃO E TEMPERATURA DA ÁGUA (5), caracterizado por um microcontrolador multivariável (FIC, TIC, EC) que calcula a vazão mássica necessária para manutenção da temperatura, sem perder o controle da vazão ajustada pelo usuário no início do banho.

4 - DISPOSITIVO HÍBRIDO DE CONTROLE DA VAZÃO E TEMPERATURA DA ÁGUA (5), caracterizado por um microcontrolador multivariável (FIC, TIC, EC), que de acordo com as reivindicações 1 a 3, controla a vazão e a temperatura de saída que chega ao bocal (7) de acordo com as temperaturas e vazões de entrada lidas pelos sensores, tudo simultaneamente e de forma autônoma.

5 - DISPOSITIVO HÍBRIDO DE CONTROLE DA VAZÃO E TEMPERATURA DA ÁGUA (5), caracterizado por um microcontrolador multivariável (FIC, TIC, EC), que controla a potência da resistência elétrica presente na câmera de aquecimento (5) de acordo com a insuficiência da temperatura da água quente lida pelo transmissor de temperatura TT1, de ser capaz de manter a temperatura de saída TT3, que foi ajustada pelo usuário no início do processo, mesmo com a abertura total da válvula de controle proporcional FCV1, instalada na tubulação de água quente (3).

6 - DISPOSITIVO HÍBRIDO DE CONTROLE DA VAZÃO E TEMPERATURA DA ÁGUA (5), caracterizado por um microcontrolador multivariável (FIC, TIC, EC), que de acordo com as reivindicações de 1 a 5, é capaz de manter as características principais de um banho, temperatura e vazão, com valores constantes e de forma confiável e segura para o usuário.

7 - DISPOSITIVO HÍBRIDO DE CONTROLE DA VAZÃO E TEMPERATURA DA ÁGUA (5), caracterizado por um microcontrolador multivariável (FIC, TIC, EC), que é capaz de atender os mais diversos tipos de usuários, possibilitando o ajuste pessoal dos Set Points de temperatura e vazão no início de cada utilização, sempre mantendo o controle da saída, sejam quaisquer valores ajustados de vazão e temperatura.

8 - DISPOSITIVO HÍBRIDO DE CONTROLE DA VAZÃO E TEMPERATURA DA ÁGUA (5), caracterizado por um microcontrolador multivariável (FIC, TIC, EC), que, de acordo com a reivindicação 6, é capaz de manter a segurança do usuário por meio das válvulas de vazão FV3 e FV4, que irão permanecer fechadas durante o banho, impedindo que o usuário abra os registros manuais adicionando mais água quente na saída previamente controlada, na falta de energia elétrica, as válvulas abrirão liberando as tubulações para a utilização manual.

9 - DISPOSITIVO HÍBRIDO DE CONTROLE DA VAZÃO E TEMPERATURA DA ÁGUA (5), caracterizado por um microcontrolador multivariável (FIC, TIC, EC) que é capaz de identificar uma falta de energia elétrica e travar o sistema por meio das válvulas de vazão FV1 e FV2, evitando que entre ar no dispositivo e haja refluxo nas tubulações, durante a utilização do dispositivo, as válvulas FV1 e FV2 permanecem abertas, essa característica funciona em conjunto com a descrita na reivindicação 8.

10 - DISPOSITIVO HÍBRIDO DE CONTROLE DA VAZÃO E TEMPERATURA DA ÁGUA (5), caracterizado por um microcontrolador multivariável (FIC, TIC, EC), que, de acordo com as reivindicações 2, 3, 5 e 7, realiza os ajustes preferenciais do usuário por meio de uma interface homem máquina (8) que pode ser uma instalação física (com fios) instalada próxima ao local do banho ou uma instalação via radiofrequência (via aplicativos-wifi/bluetooth).