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Banho Termostático: Controle de temperatura preciso e seguro

Banho Termostático

O banho termostático é amplamente utilizados em laboratórios de centros de pesquisa e desenvolvimento, controle de qualidade e até mesmo na indústria, em diversas aplicações.

Neste artigo iremos falar um pouco mais sobre este equipamento versátil utilizado para controlar temperatura por via úmida, ou seja, através de um fluido térmico.

Para facilitar e organizar o conteúdo deste artigo, organizaremos os assuntos em tópicos, conforme abaixo:

  1. O que é um banho termostático e suas variações
  2. Como funciona um banho termostático: Construção e principais componentes
  3. Sistemas de segurança
  4. Características de um banho termostatizado
  5. Aplicações para um banho ultra termostatico
  6. Diferença entre um banho termostatizado e um chiller
  7. Alternativas ao banho termostático
  8. Classificação do banho para fluidos conforme norma DIN 12876-1
  9. O que é e quais são os fluidos térmicos utilizados
  10. Equipamentos específicos para termostatização
  11. Diferenciais dos banhos termostáticos da Julabo

1 – O que é um banho termostático e suas variações

Primeiramente, vamos iniciar falando sobre os diferentes nomes para o mesmo equipamento.

Um banho termostático também é conhecido de muitas outras formas, dependendo do fabricante, tais como banho termostatizado, banho ultra termostático, banho maria ultratermostático, banho de circulação, termostato de circulação ou até mesmo apenas de termostato.

Banho termostático Julabo Dyneo DD-300F
Banho termostático Julabo Dyneo DD-300F

No final, todos querem dizer o mesmo: é um equipamento que controla a temperatura do fluido térmico em uma determinada faixa de trabalho, aquecendo e refrigerando quando necessário.

Entretanto, gostaríamos de registrar que existe uma variação, comumente chamada de banho de aquecimento, que apesar de termostatizar uma amostra, não está no grupo dos banhos termostáticos.

Mas por que esta diferença?

Porque os banhos termostáticos possuem sistema de aquecimento e refrigeração do fluido térmico, podendo trabalhar, portanto, em temperaturas abaixo da temperatura ambiente ou acima dela, enquanto que os banhos de aquecimento possuem apenas sistema de aquecimento.

Ou seja, enquanto o banho termostático consegue aquecer ou refrigerar o fluido térmico, o banho de aquecimento consegue apenas aquecer o mesmo. Logo, nos banhos de aquecimento, só trabalhamos da temperatura ambiente para cima.

Chamamos atenção neste caso, pois o sistema de bombeamento e circulação do fluido térmico gera calor e isso faz com que a temperatura mínima em um banho de aquecimento seja aproximadamente 10ºC acima da temperatura ambiente.

Portanto, para trabalhos próximos a temperatura ambiente, precisaremos de um sistema auxiliar em um banho de aquecimento ou até mesmo um banho termostático.

Em nosso portfolio, temos alguns exemplos de banhos de aquecimento, das linhas Vivo, Corio ou Dyneo, fabricados pela Julabo na Alemanha, conforme imagem ilustrativa abaixo:

Banho de aquecimento Julabo Corio CD-B5 Imagem 2
Banho de aquecimento Julabo Corio CD-B5
O banho maria é um banho termostático?

Podemos dizer que sim, afinal ele controla a temperatura de um fluido térmico, a água, mas também gostaríamos de registrar que o “banho maria” é um equipamento mais simples: conceitualmente, é um equipamento que só trabalha com água como fluido térmico e ,portanto, até 99,9ºC. Além disso, pela sua concepção mais simples, não possui sistema de bombeamento/circulação de fluido.

O mesmo não será tema de discussão neste post, mas citamos como exemplo a linha Pura da Julabo, com cubas de 4 a 30 litros de capacidade.

Banho Maria Julabo Pura Imagem 3
Banho Maria Julabo Pura

O fluido térmico é o líquido que será colocado dentro dos banhos para ter sua temperatura controlada. Falaremos mais sobre ele em artigo a parte, mas no capítulo 7 adiante apresentaremos um pequeno resumo.

2 – Como funciona um banho termostático: Construção e principais componentes

Um banho termostático é dividido basicamente em 2 componentes ou subsistemas: o Controlador Termostático de Imersão (ou apenas Controlador) e a unidade de refrigeração (também chamado de cuba).

Enquanto o controlador é a parte superior do equipamento, conhecido informalmente como “cabeça” ou “cabeçote” do equipamento, a unidade de refrigeração é a parte inferior do banho.

Controlador termostático de Imersão

O Controlador de imersão compreende diversos componentes, como por exemplo:

  • Chave liga / desliga geral
  • Display
  • Teclado ou botão de operação
  • Motor e bomba de circulação
  • Resistência para aquecimento
  • Eletrônica para conversão da energia elétrica para alimentação dos subcomponentes
  • Processador de controle e memória interna Black Box (caixa preta)
  • Termostato de segurança
  • Sensores de temperatura (de trabalho e do termostato de segurança)
  • Boia de nível do fluido térmico
  • Saídas de comunicação e de dados

A Julabo dispõe de diversos controladores em sua linha, como por exemplo as linhas  Vivo, Corio e Dyneo.

 Controlador Termostárico de Imersão Julabo Dyneo DD Imagem 4
Controlador Termostárico de Imersão Julabo Dyneo DD

Unidade de refrigeração ou cuba

A unidade de refrigeração, que é a parte inferior de um banho termostático, compreende basicamente:

  • A cuba onde será colocado o fluido térmico, disponível em diversos tamanhos
  • Tampa de fechamento da cuba
  • O Sistema de refrigeração, compreendendo compressor , evaporadora e condensadora
  • Eletrônica de controle
  • Alça para transporte
  • Pés ou Rodízios (quando aplicável)
  • Grade frontal removível

Em muitos modelos de banhos termostatizados, a unidade de refrigeração possui comunicação de dados com o controlador termostático. Isso permite com que anormalidades sejam identificados rapidamente, interrompendo o funcionamento do equipamento, evitando assim problemas como o congelamento do fluido térmico observado em concorrentes.

Em alguns modelos, ao invés de serem necessários duas tomadas de energia elétrica, apenas uma tomada é necessária. Neste caso, o controlador termostático de imersão é ligado na unidade de refrigeração, que por sua vez é ligada a energia elétrica.

Conforme falamos anteriormente, em um banho de aquecimento, não temos sistema de refrigeração, portanto o controlador está conectado basicamente a uma cuba, isolada termicamente, não só para permitir uma boa performance, mas também para evitar acidentes ao tocarmos a mesma externamente.

Circulação Externa ou Interna?

Outro ponto importante da construção define uma de suas aplicações: o equipamento possui ou não sistema de circulação externo?

Como padrão, todos os banhos termostatizados da Julabo já possuem de fábrica sistema de circulação externo.

Indicação do sistema de circulação externa em banhos
Indicação do sistema de circulação externa em banhos

Este sistema consiste em uma estrutura com dois conectores, sendo uma saída de fluido térmico, que permite bombear o fluido térmico em direção à aplicação externa, e um retorno do mesmo para a cuba interna do banho. A saída do fluido térmico nada mais é do que a saída da bomba de circulação, onde ligaremos uma mangueira até a aplicação externa (um reator por exemplo).

Em um banho de aquecimento, temos modelos sem sistema de circulação externa. Portanto eles são indicados apenas para aplicações internas, ou seja, quando os usuários irão colocar suas amostras DENTRO da cuba do equipamento.

3- Sistemas de segurança

É muito importante que um banho termostático ou um banho de aquecimento tenham sistemas de segurança robustos, evitando acidentes para o laboratório e usuários.

Assim que o banho termostático ou banho de aquecimento é ligado no botão principal, o equipamento realizará testes de segurança obrigatórios, conforme norma IEC 61010-2-010.

Se estiverem sido respeitados os parâmetros definidos pelo fabricante, o banho estará liberado para operar. Caso contrário, alarmes visuais e sonoros indicarão o erro no display.

Durante o funcionamento, estes mesmos sistemas são constantemente monitorados, e em caso de anormalidades, o funcionamento do banho será interrompido, imediatamente, um aviso aparecerá no display com o referido código de erro e um alarme sonoro também soará.

Estes sistemas fazem parte do controlador termostático de imersão e monitoram a temperatura máxima de trabalho permitida e o baixo nível de fluido térmico.

Boia de nível de fluido (vermelho) e Termostato de segurança (azul)
Boia de nível de fluido (vermelho) e Termostato de segurança (azul)

Estes 2 sistemas são descritos detalhadamente abaixo:

  • Sistema de excesso de temperatura

Este sistema é composto basicamente por um potenciostato onde ajustamos a temperatura máxima na qual equipamento poderá operar. Quando esta temperatura é atingida, o equipamento é desligado, um código de erro aparece no display (erro 14) e um alarme sonoro será disparado.

Para retorno do trabalho, o equipamento precisa ser desligado no botão principal e religado.

Seu ajuste é realizado na parte frontal do equipamento, com uma chave de fenda. Este termostato de segurança possui uma escala indicadora da temperatura máxima desejada.

Por segurança, ele possui um sensor de temperatura exclusivo, ou seja, independente do sensor de temperatura do controlador de temperatura.

Este sistema deve ser corretamente ajustado em função do tipo de fluido térmico que está sendo utilizado. Recomendamos ajusta-lo a 25ºC abaixo do ponto de inflamação do fluido térmico utilizado.

  • Sistema de baixo nível de fluido térmico

O sistema de nível baixo em um banho define a quantidade mínima de fluido necessária para operar o controlador termostático de imersão.

Este nível precisa ser suficiente para manter a resistência de aquecimento submersa, assim como alimentar a bomba de circulação.

Quando temos um banho termostático, ou seja, uma unidade de refrigeração acoplada ao controlador termostático de imersão, este nível também é suficiente para manter submersa a serpentina de refrigeração.

Quando esta condição não é atendida, a boia de nível aciona um sistema eletrônico, que impede o funcionamento do banho.

Nos equipamentos da Julabo, aparece o erro “Err 01” no display e um alarme sonoro é emitido.

Para retorno ao funcionamento do banho, o nível de fluido térmico deve ser restabelecido ao valor mínimo necessário, o equipamento precisa ser desligado no botão principal, e religado.

Ao longo do tempo, pode haver não só evaporação do fluido térmico, como alguma outra  perda, fazendo com que este nível atinja volumes menores do que o mínimo definido pelo fabricante. Portanto, seu monitoramento visual é essencial para que seu processo não seja interrompido abruptamente.

4 – Características de um banho termostatizado

Conforme falado anteriormente, o banho termostatizado é composto por 2 componentes: O controlador e a unidade de refrigeração.

Temos em nosso portfólio dezenas de modelos disponíveis, combinando estes dois componentes.

É importante reforçar esta informação para que possamos entender que determinadas características de um banho termostático são definidas pelo modelo de controlador termostático de imersão que escolhemos, assim como outras características são definidas pelo modelo de unidade de refrigeração acoplada ao mesmo.

Portanto, para facilitar, iremos descrever em separado as características definidas por  cada um destes 2 conjuntos.

4.1 – Controlador termostárico de imersão
  • Temperatura máxima de trabalho: temos controladores com temperaturas máximas de 100 até 300ºC. A maioria dos modelos trabalham até 150ºC ou 200ºC.
  • Estabilidade da temperatura: a estabilidade é definida pela configuração da eletrônica embarcada no controlador e representa o quanto a temperatura varia ao redor da temperatura de trabalho definida, para mais e para menos, após a estabilização do sistema. Ela varia de 0,5 até 0,005ºC. As mais comuns são 0,03 e 0,01ºC
  • Resolução do controlador: A resolução é o menor ajuste de temperatura que pode ser alterado pelo usuário. A grande maioria dos equipamentos da Julabo  possuem resolução de 0,01ºC. Isso permite ajustarmos uma temperatura de trabalho para 35,02ºC ou 35,03ºC por exemplo.
  • Display: dependendo do modelo, temos displays simples, indicando basicamente a temperatura de trabalho (set point) e mensagens de erros, como nos modelos Corio C, Corio CD e Corio CP, ou displays mais avançados, como no Dyneo DD, onde temos diversas variáveis mostradas simultaneamente, menu gráfico, idiomas diversos, possibilidade de controle externo, dentre outras funções.
  • Potência de aquecimento: Como a resistência está no controlador, a escolha do mesmo define a potência de aquecimento disponível. Como via de regra, os banhos da Julabo possuem potência de aquecimento de 2 Kw, mas temos modelos com 3 Kw de capacidade. Também temos acessórios para aumento desta potência, os booster heaters.
  • Vazão e pressão da Bomba de circulação: A Julabo possui modelos simples, como o Corio C e o Corio CD, onde a velocidade do motor da bomba de circulação é fixa, ou seja, tanto a vazão quanto a pressão são preciamente determinadas e fixas. Entretanto, temos modelos onde podemos variar a velocidade da bomba, como no Corio CP e no Dyneno DD, alterando assim a vazão e a pressão do fluido térmico.
Sobre este tema iremos falar um pouco mais

Para uma melhor troca térmica, buscamos ter elevadas vazões. Portanto, quanto maior a vazão, mais troca de energia existe entre o fluido térmico e a amostra.

Conceitualmente, evitamos trabalhar com pressões elevadas, mantendo assim um fluxo turbulento de fluido térmico e melhorando a troca de temperatura.

Entretanto, em aplicações internas por exemplo, onde amostras são colocadas dentro da cuba, podem ser necessárias vazões e pressões menores, evitando tombamento de frascos por exemplo.

Verifique com nosso especialista a possibilidade de acoplamento de um amplificador de pressão ao seu banho, chamado de Booster Pump, aumentando assim a pressão de trabalho necessária para aplicações específicas.

4.2 – Unidade de refrigeração

  • Temperatura mínima de trabalho: A temperatura mínima é definida pela configuração do sistema de refrigeração, o que leva em conta a quantidade de compressores (1 ou 2), o gás de refrigeração utilizado, a potência do compressor e a construção mecânica do sistema como um todo. A Julabo possui sistemas de refrigeração para trabalhos até -95ºC.
  • Tamanho da cuba: o tamanho da cuba, normalmente expresso em litros, é definido na escolha da unidade de refrigeração.

A escolha do tamanho adequado depende da aplicação do cliente. Como regra geral, quanto menor a cuba, melhor a performance, ou seja, maior é a velocidade de aquecimento ou refrigeração. Mas existem exceções.

Atenção: Se sua aplicação for interna, ou seja, amostras forem colocadas dentro da cuba do banho, avalie também a área útil disponível e não apenas o tamanho da cuba em litros. Alguns componentes do sistema de refrigeração e do controlador termostático de imersão irão “ocupar” parte do volume total, reduzindo o espaço útil. Disponível para trabalho.

  • Potência de refrigeração: Temos unidades de refrigeração com diversas potências, de 200 W até 5,5 Kw e é claro que sua escolha depende da aplicação do cliente.

Atenção: Temos equipamentos com outra tecnologia, os Prestos, com capacidades de refrigeração muito maiores, e falaremos deles mais adiante em resumo, no item 7.

5- Aplicações para um banho ultra termostático

Podemos dizer que existem centenas de aplicações onde um banho termostático pode ser utilizado.

Inicialmente, vamos separa-las em aplicações internas e aplicações externas.

Aplicações internas são aquelas onde colocamos amostras dentro da cuba do banho, para que sua temperatura seja controlada.

Aplicações externas são aquelas onde necessitamos bombear o fluido térmico “para fora” do banho, através de mangueiras. Portanto, o fluido sai do banho, passa pela aplicação externa, e retorna para a cuba do banho.

Neste caso, a temperatura de saída é diferente da temperatura de retorno, pois energia foi trocada entre o fluido e a aplicação externa.

Como exemplo de aplicações internas, onde as amostras  são colocadas dentro da cuba do banho, podemos citar:
  • Medição de pH
  • Calibração de sensores de temperatura
  • Medição de viscosidade rotacional em viscosímetro tipo Brookfield
  • Testes de incubação celular
  • Refrigeração de amostras durante processamento ultrassônico
  • Termostatização de amostras para teste de materiais (teste de charpy por exemplo)
Como exemplo de aplicações externas em um banho termostático temos:
  • Sistemas de destilação de petróleo
  • Refrigeração do condensador em um rotaevaporador
  • Titulometria
  • Controle da temperatura de reatores químicos jaquetados
  • Termostatização de reômetros
  • Controle de temperatura em condensadores
  • Termostatização de câmaras climáticas
  • Termostatização de viscosímetros automáticos
  • Controle de temperatura de câmeras fotográficas
  • Termostatização de câmaras de moagem (moinhos)
  • Controle da temperatura em densímetros
  • Termostatização de reatores de fluxo contínuo
  • Testes de corrosão
  • Sistemas de amostradores, como em cromatógrafos gasosos (CG) por exemplo

Enfim, são muitas as aplicações onde um banho termostático pode estar acoplado.

Diversos fabricantes de equipamentos para laboratório de renome mundial possuem parceria com a Julabo, que por sua vez fornece seus banhos termostáticos como sistemas is robusto e com excelente controle térmico para o perfeito funcionamento da sua aplicação externa.

A Biovera dispõe de vasta experiência na correta especificação do banho adequado às aplicações dos nossos clientes, além de contar é claro com o suporte da Julabo na Alemanha.

6- Diferença entre um banho termostatizado e um chiller

Muitos de nossos clientes fazem este questionamento: Quando devo utilizar um banho termostático ou um chiller?

Banho Termostático x Chiller (com potências de refrigeração similares)
Banho Termostático x Chiller (com potências de refrigeração similares)

Primeiramente, vamos entender a diferença entre eles.

O chiller é um equipamento de controle de temperatura que, conceitualmente, só possui sistema de refrigeração, ou seja, ela foi dimensionado apenas para remover energia/calor de uma aplicação.

Até existem modelos de chiller com sistemas de aquecimento, mas são raros e para aplicações específicas, portanto desconsideraremos esta opção.

Os banhos termostáticos, como falados anteriormente, possuem tanto sistema de aquecimento quanto sistema de refrigeração.

Portanto, a construção de um Chiller é mais simples e no final, quando comparamos a um banho com a mesma potência de refrigeração, os chillers possuem menor preço.

Performance do chillher x banho termostático

Na mesma comparação, os chiller possuem uma pequena cuba interna, totalmente isolada termicamente, ao contrário de um banho termostático, onde a cuba tem “abertura” para o ambiente e portanto não possui um isolamento térmico tão eficiente (seu isolamento é basicamente nas laterais e fundo da cuba).

Isso faz com que a performance de refrigeração de um chiller seja melhor, tendo assim maior velocidade na redução da temperatura.

Outro ponto a se observar é que por ser um sistema fechado, onde o fluido térmico não tem contato com o ar, o chiller permite uma maior vida útil do fluido térmico, visto que a contaminação com as impurezas do ar, sua oxidação, perda de voláteis ou condensação de umidade ambiente são praticamente eliminadas.

Mas afinal, devo optar por um chiller ou um banho termosático?

Respondendo a pergunta inicial, sobre qual dos equipamentos utilizar, precisamos avaliar basicamente a aplicação e a flexibilidade em utilizar um mesmo equipamento em diversas aplicações.

Portanto, onde flexibilidade é exigida, como em laboratórios multiusuários ou quando diversas aplicações farão uso do mesmo equipamento, recomendamos ao cliente um banho termostático, caso a verba disponível comporte o mesmo.

Se o equipamento irá permanecer fixo sempre na mesma aplicação, como por exemplo na refrigeração de condensadores de uma bateria de soxhlet, e somente refrigeração é necessária, recomendamos um Chiller, devido ao menor investimento e melhor performance na refrigeração.

Da mesma forma que o banho termostático tem várias opções de unidades de refrigeração, e consequentemente potências disponíveis e faixas de temperaturas diferentes, o mesmo ocorre com o chiller.

Com relação ao tamanho ocupado, eles são compatíveis quando as potências de refrigeração são similares. A principal diferença é na altura, maior nos banhos termostáticos.

Portanto precisamos avaliar a aplicação para recomendar o chiller com a potência adequada.

7- Alternativas ao banho termostático

Já falamos anteriormente sobre o Chiller e sobre o banho de aquecimento, que são duas das alternativas ao banho termostático.

Entretanto, existem aplicações onde precisamos trabalhar com um grande range de temperatura, ou seja, onde a diferença entre a temperatura mínima e a temperatura máxima é muito grande, e não pode ser realizada com um mesmo fluido térmico.

Também existem aplicações com temperaturas muito altas ou muito baixas, onde o contato do fluido térmico com o ar ambiente torna a utilização de um banho termostático impossível.

Outra necessidade técnica está em processos com elevadas exotermias ou endotermias, ou seja, que exigem do banho termostático uma velocidade de resposta muito grande, o que nem sempre é possível.

Nestes casos, precisamos utilizar um sistema fechado, como o Presto ou o Forte.

Sistemas fechados

Nestes sistemas, os fluidos térmicos não entram em contato com o ar ambiente, portanto podemos trabalhar em condições críticas de temperaturas, com segurança, preservando as características originais do fluido térmico por mais tempo e com altas velocidades de respostas.

Presto Julabo
Presto Julabo

Falaremos mais sobre esta tecnologia em um post a parte, devido a sua extensão e complexidade.

8 – Classificação do banho para fluidos conforme norma DIN 12876-1

Conforme falado anteriormente, os banhos termostáticos podem trabalhar em temperaturas muito diferentes, altas ou baixas.

Para garantir a segurança dos equipamentos e usuários, a Julabo certifica seus equipamentos conforme a norma DIN 12876-1 para dispositivos elétricos laboratoriais.

Norma Din 12876-1

Esta certificação permite com que o equipamento de controle de temperatura, seja ele um banho termostático, um banho de aquecimento, um Chiller ou um banho maria, possam utilizar fluidos inflamáveis ou não.

A Grande maioria dos banhos termostáticos são classe III (FL), ou seja, permitem a utilização de fluidos inflamáveis.

Os banhos de aquecimento até 100ºC, os banhos Maria e os Chillers, são certificados como classe I (NFL), ou seja, não podem trabalhar com fluidos inflamáveis. Neste caso, podemos utilizar água ou uma mistura de água com etilenoglicol.

9 – O que é e quais são os fluidos térmicos utilizados

Os fluidos térmicos merecem um capítulo a parte, pois vivenciamos muitas dúvidas e problemas em nossos clientes.

De uma forma resumida, podemos utilizar:

  • Água
  • Mistura de água com etilenoglicol
  • Etanol, se o equipamento for classe III (FL)
  • Fluido Térmico Thermal

Portanto, acesse post específico para melhor conhecer sobre estes fluidos e como escolher o mais indicado para seu equipamento e necessidade técnica.

10 – Equipamentos específicos para termostatização

Ao longo dos anos, a Julabo desenvolveu equipamentos específicos para controle de temperatura em aplicações específicas.

Portanto, modelos de “prateleira” fazem parte do portfólio da Julabo e constam em nossos catálogos.

Dentre estes modelos, podemos citar:

Cada um destes equipamentos possui características especiais para uma determinada aplicação, e alguns possuem variações com diversos modelos.

Abaixo mostramos a imagem de uma aplicação, um sistema de destilação de petróleo da Pilodist, onde temos diversos tipos de equipamentos para controle de temperatura da Julabo, trabalhando em conjunto em um único sistema: Banho Termostático, Chiller e um cooler de imersão (dedo frio).

Consulte nosso especialista e encontre o equipamento ideal para sua aplicação.

11- Diferenciais dos banhos termostáticos da Julabo

Este capítulo do post tem como objetivo reforçar os pontos fortes da Julabo, marca representada pela Biovera no Brasil, assim como de seus equipamentos. São eles:

Diferenciais da marca Julabo

  • Líder mundial em tecnologia de controle de temperatura
  • Ampla faixa de trabalho disponível: de -95 a +400ºC
  • Especialista em controle de temperatura, ou seja, tem todo o seu foco em pesquisa e desenvolvimento e na fabricação apenas de equipamentos para controle de temperatura com fluido térmico
  • Possui sistema de qualidade certificado internacionalmente ISO 9000 a mais de 20 anos
  • Oferta dois anos de garantia, sendo um ano como padrão e uma extensão de um ano, mediante registro no site da Julabo
  • Oferta gratuitamente software para controle e monitoramento via PC
  • Atendimento às normas de segurança na fabricação de equipamentos laboratoriais

Diferenciais dos Equipamentos Julabo

  • Grade frontal removível e com fixação magnética, permitindo ao próprio cliente fazer a manutenção preventiva do equipamento sem custos adicionais com assistência técnica
  • Sistema Black Box Integrado: Igualmente a uma caixa preta de um avião, diversas variáveis do equipamento são salvas em uma memória interna e, em caso de problemas, podem ser salvas em um pen drive e enviadas para a fábrica na Alemanha, facilitando o diagnóstico remoto e a solução de problemas.