EL PAPEL DE LA ELECTRONICA Y LAS VENTAJAS OFRECIDAS CON RESPECTO A LAS VALVULAS TERMOSTATICAS ESTANDAR

VÁLVULAS DE EXPANSIÓN ELECTRÓNICA

 

Por cortesía de Andrea Dalan, Valves, Drivers & Flow Control Platform Manager en CAREL Industries

 El papel de la electrónica y las ventajas ofrecidas con respecto a las válvulas termostáticas estándar

La mejor definición de válvula de expansión electrónica es una válvula que combina la resistencia de la mecánica con la inteligencia de la electrónica.

 

Hace algunos días me sentí incómodo al tratar este tema con una figura internacional destacada, estando yo completamente convencido de que la transición de la válvula termostática a la electrónica era ya una cuestión del pasado.  Por eso, he decidido recuperar, con cierta dificultad, algunos documentos que habíamos intentado difundir hasta hace diez años.

 

La válvula de expansión, antagonista del compresor en las instalaciones tradicionales, tiene el papel de garantizar el caudal correcto de refrigerante al evaporador, con el fin de obtener el mejor rendimiento de intercambio térmico con la mayor eficiencia posible.  Entre otras funciones, la válvula tiene la de proteger a la instalación de retornos de líquido.

                                                         Vávulas EEV

    Gama válvulas EEV smart y CO2

El uso de una válvula electrónica en lugar de una válvula mecánica lleva consigo numerosas ventajas:

 

  • Regulación del sobrecalentamiento (es decir, la medida de la completa expansión del líquido en el evaporador), mucho más estable y precisa gracias al sistema de control inteligente constituido por las sondas, el control y sus algoritmos.
  • Amplio rango de regulación del 0 al 100% del caudal. 
  • Compatibilidad con una amplia gama de refrigerantes sin necesidad de seleccionar una válvula electrónica específica en función del fluido refrigerante.  La elección del refrigerante se realiza mediante la selección de un parámetro en el control.
  • La válvula electrónica no requiere de una calibración periódica, como la válvula termostática.
  • Rapidez de respuesta a las variaciones de las condiciones del entorno (por ejemplo, encendido y apagado).
  • Cierre hermético favorecido por el uso de juntas y motores de alto rendimiento. La válvula termostática, para que no migre líquido refrigerante hacia el compresor, requiere combinarse con una válvula de solenoide.

 

Todas estas características conllevan:

 

  • Ahorro energético para el usuario final.  La reducción de la presión de condensación comporta un menor trabajo del compresor. Estudios comparativos entre válvula electrónica y termostática, desarrollados junto con clientes o entidades universitarias, han demostrado ahorros en el consumo energético anual del 15 al 35% a favor de la válvula electrónica.
  • Reducción de costes de mantenimiento.  Mejores condiciones de trabajo de los compresores (presiones más bajas, temperaturas de descarga inferiores), ausencia de retornos de líquido y, por lo tanto, menor deterioro de las partes mecánicas. Ausencia de intervenciones de calibración de la válvula.
  • Reducción de la variedad de los componentes para el fabricante gracias al carácter único de la solución para una amplia selección de refrigerantes.

 

Todo esto con el objetivo de preservar nuestro planeta, proporcionando las soluciones más eficientes para obtener tanto frío como calor.

                                             preservar nuestro planeta

 

La aparición de compresores de velocidad variable ha hecho que sea aún más necesario el uso de válvulas electrónicas, dada su capacidad para reaccionar de forma rápida a las variaciones de las condiciones de trabajo y al amplio rango de regulación permitido.

 

Un ejemplo interesante, que nos permite comprender la dirección que debemos tomar, es el sector del automóvil.  El desarrollo del coche eléctrico ha implicado la necesidad de optimizar al máximo las prestaciones de cualquier componente auxiliar del vehículo.  Puesto que la energía de las baterías es muy valiosa, y debería estar encaminada principalmente a mover el coche, el alto rendimiento de los sistemas de climatización de la cabina y de la refrigeración de la batería ha requerido que se adopten obligatoriamente las válvulas electrónicas de expansión.

                                               energía verde

    

 

 

En el pasado, los obstáculos que impedían que las válvulas electrónicas sustituyesen completamente a las válvulas termostáticas eran:

 

  • El coste inicial.
  • La aparente complejidad del sistema.
  • La desconfianza hacia lo “nuevo”.

 

Hoy en día se puede afirmar que la válvula electrónica es un estándar, gracias a:

 

  • Costes iniciales comparables a los de una termostática.  Están disponibles paquetes de productos sencillos (válvula electrónica+controlador+2 sondas) que sustituyen a la válvula termostática + solenoide.
  • La configuración de los parámetros en el control es ahora muy sencillo. Basta con configurar tres parámetros: refrigerante, tipo de regulación y set point de sobrecalentamiento, y el sistema está listo para comenzar.
  • La presencia desde hace muchos años de la válvula electrónica y su fiabilidad comprobada han hecho que se supere la desconfianza de los usuarios.

 

 Exigencias normativas

Al tratarse de dispositivos a presión, las válvulas electrónicas están sometidas a la Directiva de Equipos bajo Presión, PED.  La Norma UL 429 permite efectuar varias pruebas que certifican la fiabilidad y la seguridad de la válvula.

 

Además, es obvio que tanto las válvulas termostáticas como las electrónicas deben respetar las directrices REACH y RoHS, y cumplir con la regulación Conflict Mineral, que limita el uso de materiales como plomo, mercurio, cadmio, etc.

 

Por último, pero no menos importante, también cumple con la Normativa RAEE, que regula el tratamiento y reciclado de residuos de aparatos electrónicos.

 

La reciente utilización de refrigerantes inflamables ha hecho que sea necesario afrontar evaluaciones con respecto a la seguridad en ambientes inflamables, para lo que es importante cumplir la normativa de referencia según el tipo de unidad; entre ellas, EN 378-2, EN 60335-2-40, EN 60335-2-89, Atex: EN 60079).

 

En realidad, los mismos que las válvulas termostáticas menos las compatibilidades electromagnéticas y la seguridad eléctrica sobre las cuales es necesario realizar las pruebas correspondientes ante laboratorios acreditados.

 

En cuanto a los componentes de la máquina refrigeradora, deben cumplir los requisitos de la máquina en función de las diferentes aplicaciones finales (doméstica, residencial, industrial).

 

 

La evolución de las válvulas de expansión electrónica con las nuevas necesidades de apostar por refrigerantes de bajo índice GWP (CO2 en particular)

 

La continua búsqueda del refrigerante de menor impacto ambiental ha producido una serie de fluidos refrigerantes que ha creado mucha confusión en el mercado.  Las válvulas electrónicas han mantenido una marcha más alta con respecto a las válvulas mecánicas gracias a su compatibilidad con gran parte de los refrigerantes.  Para cada nuevo refrigerante fluorado o HFO ha sido suficiente con efectuar los análisis de compatibilidad química y los análisis fluidodinámicos/termodinámicos.

 

La mayor difusión de los refrigerantes inflamables (sobre todo, el R290) ha obligado a los fabricantes a una mayor sensibilidad a la estanqueidad del producto y a la prevención de la generación de chispas (punto en contra de la válvula electrónica, pero fácilmente superable con protecciones en los contactos).

 

Mucho más impactante ha sido la adopción del CO2, que ha impuesto la aplicación de rangos específicos a alta presión.  Basta pensar que para obtener la certificación UL de la válvula de expansión se debe garantizar una presión de rotura superior a 5 veces la PS (presión máxima operativa). Para sistemas transcríticos que funcionan hasta 140 bares, ¡la válvula debe resistir presiones superiores a los 700 bares!  Por lo tanto, de todo esto se deriva un importante esfuerzo de diseño para garantizar unos grosores y unas dimensiones de los productos que sean adecuados a estos estándares de trabajo.

 

 

Con las válvulas de hot-gas y flash-gas se ha introducido una mayor complejidad. La regulación de gas a alta presión no sigue necesariamente los criterios de diseño de los sistemas de expansión por fluidos bifásicos como en las instalaciones tradicionales. Se han identificado perfiles de regulación específicos para limitar las perturbaciones en dichas aplicaciones. 

 

Y no termina aquí... La constante búsqueda en la optimización de la instalación y la voluntad de ampliar las áreas de funcionamiento de los sistemas transcríticos, incluso en los climas más cálidos, han llevado a la introducción de los eyectores.  Pocos fabricantes han conseguido probar suerte con este producto, y Carel es uno de ellos.  En el desarrollo de un eyector, el mayor coste consiste en la simulación fluidodinámica, para la cual es necesario el uso de un software y de ordenadores muy potentes.

 

Un eyector es un dispositivo que aprovecha la energía de un fluido a alta presión que circula a través de una boquilla para transportar y comprimir otro fluido a una presión muy inferior.  De este modo se consigue, gracias al efecto Venturi, reducir el trabajo del compresor recuperando una parte de la energía derivada de la expansión directa.

 

 

La demanda actual del mercado

El mercado se está orientando hacia direcciones de desarrollo cada vez más complejas (en virtud de alcanzar la máxima eficiencia energética) que, manteniendo la fiabilidad como principal prioridad, implican demandas que, en primera instancia, podrían resultar contradictorias.

 

  • Reducción de los tiempos de espera de suministros. Por este motivo, Carel y otras compañías que operan en este sector han tenido que adoptar una solución de producción local para estar cerca del cliente final. 
  • Reducción del coste de los productos. La modularidad ha permitido optimizar la adquisición de materias primas, garantizando, por lo tanto, una plena competitividad con la válvula termostática.
  • Alto grado de personalización del producto. Cada figura de nuestro mercado tiene la necesidad de diferenciarse para poder darle un valor añadido al cliente final. La combinación de la flexibilidad de la válvula electrónica con la personalización de los algoritmos de control ha permitido satisfacer esta exigencia.

 

Por encima de todos estos puntos domina la demanda de compatibilidades para nuevos refrigerantes que se ha tratado anteriormente. A pesar de que la estrategia de los refrigerantes ecológicos se está orientando hacia los inflamables o el CO2, de forma periódica recibimos solicitudes de uso con nuevas fórmulas de fluido frigorígeno.

 

En realidad, todos los ámbitos de uso son interesantes: ¡Siempre existe una forma de mejorar el funcionamiento de la instalación!  Sin duda, el CO2 y los gases inflamables están dando un especial ímpetu a ideas innovadoras y a usos particulares de las válvulas.

 

Mucho dependerá del desarrollo de nuevos sistemas de refrigeración y climatización. La llegada de inversiones internacionales importantes para la investigación de sistemas más eficientes podría ponernos en la coyuntura de tener que inventar nuevos sistemas de termorregulación.

 

 Las válvulas del futuro

 

A medio plazo preveo tres tipos de evolución:

 

  • La primera transformación se producirá en el sistema de actuación.  Los continuos ensayos sobre los materiales inteligentes implicarán necesariamente la sustitución de los sistemas tradicionales de motor paso a paso con nuevas “válvulas” que incorporarán elementos que modifican su propia geometría en función de una señal eléctrica.

 

  • La segunda transformación tendrá lugar sobre el sistema de control y medida.  El desarrollo de nuevas tecnologías de sensores (impulsado sobre todo por el IoT) y la miniaturización de la electrónica favorecerán la presencia de objetos inteligentes capaces de medir y de actuar de forma inmediata e independientemente del sistema más complejo. 

 

  • El último paso de la evolución lo constituyen sistemas que sean capaces de autoalimentarse y no necesiten comunicaciones por cable, sino que transmitan los datos de forma inalámbrica. Este desarrollo facilitará de forma notable la instalación y el mantenimiento.

 

 

CAREL proporciona una amplia cartera de soluciones para la regulación de flujo, desde la configuración más sencilla a la más compleja.

 

Para diseñar las válvulas CAREL, hemos adoptado un enfoque modular. Los elementos comunes son similares, pero su combinación permite satisfacer cualquier exigencia del cliente.  Esto ha permitido reforzar nuestros conocimientos sobre los componentes centrales, garantizando la máxima fiabilidad para cada tipo de fabricación y un tiempo reducido de venta de nuevos productos.

 

Las características más importantes de las válvulas electrónicas de CAREL son:

  • Fiabilidad: cada producto se testa para un millón de ciclos de apertura y cierre, en las diferentes condiciones de funcionamiento.
  • Elevada precisión de regulación gracias al caudal isoporcentual que determina una variación proporcionalmente igual del caudal a medida que cambian los pasos.  Esto significa una regulación del flujo constante con una elevada precisión para caudales bajos y rapidez de respuesta para caudales altos. 
  • Cierre hermético del flujo de refrigerante con el fin de prevenir daños en el compresor.

 

La solución completa de CAREL prevé la integración con el control electrónico, las sondas (temperatura, presión) y un posible módulo de respaldo (back-up) para gestionar interrupciones de suministro.

 

Los puntos fuertes de nuestro sistema son su gran integración (cada producto se integra perfectamente) y la inteligencia del algoritmo que armoniza el funcionamiento de los componentes para obtener las prestaciones requeridas por el cliente.

 

Para quienes tienen todavía que afrontar la sustitución de la válvula termostática por sistemas más inteligentes, hemos puesto a su disposición diferentes opciones:

  • Un control paramétrico sencillo (EVD mini) que se conecta con la válvula electrónica y dos sondas (dos de temperatura o temperatura + presión). Basta con suministrarle energía, configurar los tres parámetros fundamentales, y listo.
  • También está disponible una versión completamente sellada que garantiza la instalación del controlador en el evaporador (EVD ICE).
  • Se pueden obtener soluciones más complejas y completas gracias a los controles programables Carel, que disponen de driver para la válvula integrado.

 

 

 

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