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1. VÁLVULAS DE EXPANSIÓN ELECTRÓNICAS

La inyección de líquido en evaporadores secos se ha realizado y se sigue realizando en este campo, mediante las válvulas termostáticas de expansión con un buen resultado. Sin embargo, dentro de sus limitaciones de utilización se pueden destacar: Dependencia del tipo de refrigerante utilizado. Dificultad de ajuste y diagnóstico. Sensibilidad a los cambios de las condiciones de funcionamiento. El que dependa del tipo de refrigerante implica para el fabricante un incremento de existencias debido a que es preciso que se dispongan de válvulas de expansión termostáticas para R-134a, R-22, R-502, etc. La aplicación de la electrónica en el campo de la refrigeración industrial es un hecho con la incorporación entre otros dispositivos de la válvula de expansión electrónica (VEE), la cual posee como ventajas: Funcionamiento independiente del refrigerante. No necesita ajustes, (presenta dispositivo de autodiagnosis) Facilitar un control óptimo de la inyección de refrigerante en condiciones de funcionamiento variables. Recordemos que la válvula de expansión termostática controla la inyección del líquido basándose en la señal de recalentamiento y en la señal de presión de evaporación. Ambas señales pueden, individualmente, provocar un cambio del grado de apertura de la válvula. El instalador de refrigeración debe intentar ajustar la válvula de expansión termostática de tal manera que utilice el evaporador en condiciones óptimas en todas las situaciones de funcionamiento. El proceso de ajuste es extremadamente difícil, llegando a ser imposible en ciertos casos. Por lo tanto, la válvula de expansión termostática se ajusta frecuentemente sólo para obtener un funcionamiento estable, dejando el rendimiento en segundo lugar. En una maquina frigorífica con VEE, se distinguen tres componentes (ver figura 1): Controlador electrónico. Válvula con accionador. Sensores (de presión, temperatura,…). El controlador electrónico conectado a la tensión de la red eléctrica, recibe las señales de tensión, corriente o resistencia, de los sensores conectados al circuito frigorífico y en base a los parámetros configurados por el instalador en dicho controlador, las procesa y proporciona la señales convenientes para actuar sobre la válvula de expansión, regulando la cantidad de refrigerante que deja pasar al evaporador. El número de sensores para realizar el control puede variar de un equipo a otro, pero de forma genérica pueden tener cinco sondas, tal como aparece en el evaporador de la figura 2, en la que se mide:

Fig. 1: Elementos de un sistema con válvula de expansión electrónica

S1: Temperatura de entrada. S2: Temperatura y/o presión salida. S3: Temperatura del aire de entrada. S4: Temperatura de salida del aire. S5: Sensor para fin de desescarche. Fig. 2: Sondas para control de una Válvula de expansión automática.

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Con el empleo de las válvulas electrónicas, es posible conseguir un mejor nivel de llenado de los evaporadores gracias a la posibilidad de adaptación de la característica de las válvulas a la curva MSS del evaporador. El recalentamiento con el cual trabaja la válvula debe variar para adecuarse a las oscilaciones de la carga térmica del evaporador. Lo imprescindible es lograr que el punto de trabajo esté lo más próximo posible a la curva de evaporación, por su lado derecho (zona de estabilidad). La mayor dificultad en el desarrollo de las válvulas electrónicas viene determinada por la gran diferencia de presiones que tienen lugar entre la entrada y la salida de la válvula, y la necesidad de una rápida actuación del obturador para ajustarse al grado de alimentación exigido por los controles. Por esa razón se han desarrollado:

Fig. 3: Control adaptativo del recalentamiento

VEE Pulsantes, VEE Con motor Paso & Paso.

1.1 Válvulas de expansión electrónicas pulsantes

Las válvulas electrónicas pulsantes son reguladores todo-nada que abren o cierran el paso de líquido, completamente, en cada una de las dos posiciones alternativas que pueden adoptar: abierta o cerrada (on-off). Su estructura consiste en un conductor arrollado en espiral (bobina) y un núcleo de hierro que se mueve en su interior. Cuando la corriente eléctrica pasa por el conductor crea un campo magnético capaz de atraer al núcleo de hierro, que se desplaza hacia arriba. Cuando cesa la corriente el campo magnético desaparece y el núcleo cae por su propio peso, ayudado por un resorte colocado en la parte superior. Este movimiento ascendente y descendente del núcleo de hierro se aprovecha para que actúe como un obturador, abriendo y cerrando el paso del líquido frigorígeno. En la figura 4 se muestra una válvula de expansión electrónica DANFOSS AKV10, la cual está formada por un cuerpo de válvula y una bobina en la parte superior que será la encargada de abrir o cerrar la válvula. Además llevan un orificio intercambiable. Pero ¿Cómo puede regular la cantidad de refrigerante que entra en el evaporador la VEE si solo puede estar abierta al 100% o cerrada? Pues muy sencillo, el controlador electrónico utiliza el control PWM (modulación por anchura de impulsos). Este control, se limita a variar el tiempo en el cual la VEE esta abierta o cerrada. El tiempo de ciclo, es decir, el tiempo en el que la VEE se abre y se cierra una vez, por ejemplo para Danfoss, es de 6 segundos. Si suponemos que la VEE esta 3 segundos abierta y 3 segundos cerrada y así repitiéndose sucesivamente, su comportamiento es como se estuviera abierta al 50 % (ver figura 52).

Fig. 4 : Estructura interna de una Válvula expansión electrónica pulsante AKV 10 (Danfoss)

Si se necesita una mayor cantidad de frío, la válvula permanece abierta más tiempo que cerrada en el tiempo del ciclo. Cuando no se necesita suministro de líquido, la válvula cierra herméticamente. En ciertos controladores, el período o tiempo de ciclo es ajustable entre tres y seis segundos.

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El período máximo de apertura de seis segundos se ha elegido así por ser un tiempo lo suficientemente corto (comparado con el tiempo de respuesta del evaporador) y que, a la vez, permite una vida útil de la válvula suficientemente larga (aproximadamente 10 años), por el número de maniobras que durante este tiempo tendrán lugar.

Fig. 5: Válvula de expansión electrónica y diferentes posiciones de funcionamiento.

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El sistema de la válvula de expansión electrónica no incluye ningún ajuste de recalentamiento. Este sistema encuentra por sí sólo el recalentamiento óptimo y gracias a su amplia gama de funcionamiento puede funcionar en condiciones más variables que una válvula de expansión termostática. Además, otra ventaja es que contrariamente a las VETs, el sistema de control no necesita igualación de presión externa. A este tipo de válvula se le atribuye la generación de algún problema como: la posibilidad de ocasionar vibraciones en el circuito a consecuencia del golpe de ariete que se produce al cerrarse la válvula, de manera brusca, cuando la corriente se interrumpe. Las vibraciones originan ruidos perturbadores y a largo plazo, grietas y roturas en las tuberías y accesorios de la instalación. Por lo tanto hay que tenerlo en cuenta a la hora de seleccionar la tubería de líquido.

1.2 Válvulas de expansión electrónicas con motor P&P

Un motor P&P (paso a paso) no gira de forma continua como un motor convencional. En este tipo de motor, habrá que aplicarle un pulso de tensión y el motor girará un ángulo determinado, denominado paso, que podrá ser desde 90° hasta pequeños movimientos de tan solo 1.8° e incluso 0.72º. Por lo tanto, a un motor que tienen 90º de giro por paso, se necesita aplicarle 4 pulsos para dar una vuelta completa, mientras que en los de 1,8º necesita 200 pulsos, y en los de 0,72 º necesita 500. La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso por cada pulso que el controlador electrónico le aplique. Por esta razón son ideales para la construcción de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos, como en nuestro caso, haciendo que el orificio de la VEE abra más o menos. Los Motores PaP suelen ser clasificados en dos tipos: Bipolares o Unipolares (ver figura 6). Bipolares: Estos tiene generalmente cuatro cables de salida Unipolares: Estos motores suelen tener 6 cables de salida o 5 si comparten el terminal común. Este tipo se caracteriza por ser más simple de controlar.

Fig. 6: Tipo de motores P&P

Básicamente estos motores están constituidos normalmente por un rotor (parte que gira) sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por dos bobinas excitadoras bobinadas en su estator (parte fija) con un cierto número de dientes (polos). Toda la conmutación (o excitación de las bobinas) deber ser realizada por un controlador electrónico. En la figura 8 se muestra un corte de la sección vertical de las bobinas del estator (bobina A y A y bobina B y B ) de un motor PaP unipolar con 5 cables. Fig. 7: Elementos de un motor PaP

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Fig. 8: Corte de un motor PaP y sus bobinas del estator

Secuencia de giro del motor unipolar: Esta sección explica la rotación del rotor de imán permanente de Danfoss tipo KV. El rotor tiene 24 polos, pero vamos a simplificarlo a solo 4 polos para tratar de hacer más sencilla la explicación. En la figura 9 se muestra un corte transversal vertical del estator donde se identifica cada uno de los 4 polos del estator encargado de generar el campo magnético giratorio asociados a cada una de la bobinas. En la figura 10 se muestra las distintas fases de la secuencia que seguirá el controlador electrónico para hacer girar al motor PaP para que abra o cierre la VEE, solo bastará invertir la secuencia para invertir el sentido de giro del motor.

Fig. 9: Polos del bobinado del estator

También deberías saber que hay un tiempo determinado para realizar la secuencia en cada uno de los pasos que se deben dar, ya que si la velocidad de los pulsos es demasiado alta, es posible que el motor se vuelva loco y gire en el sentido que se le ocurra, o bien quedarse titubeando en una sola posición sin saber que demonios hacer. Para ello el controlador debe conocer el tipo de motor PaP que va a controlar.

Fig. 10: Secuencia de giro de un motor PaP

Volviendo a la figura 57, vemos en el paso I, que si el controlador lógico envía un pulso de tensión a la bobina A, producirá en el polo (1) la polaridad indicada (polo Norte) y en el polo (2) la polaridad contraria (Polo Sur). Esto creará un campo magnético resultante con la dirección indicada que situará al rotor en la posición indicada en la figura.

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Si el siguiente pulso no solo se lo envía como antes a la bobina A, sino además lo envía la bobina B, producirá en polo (3) de la bobina B la polaridad indicada (polo Sur) y en el (4) la polaridad contraria (Polo Norte). Esto creará un campo magnético resultante que habrá girado 22,5 º con respecto a la anterior posición, dando como resultado el mismo ángulo de giro del rotor. Si el siguiente pulso, el controlador lógico solo lo envía a la bobina B, producirá en el polo (3) la polaridad indicada (polo Sur) y en el polo (4) la polaridad contraria (Polo Norte). Esto creará un campo magnético resultante que habrá girado 22,5 º con respecto a la anterior posición, dando como resultado otro ángulo de giro del rotor de 22,5 º.

Fig. 11: Secuencia de pasos para abrir o cerrar la VEE motorizada tipo KV (Danfoss)

Si vamos siguiendo la secuencia marcada en la figura 58, el rotor irá girando en pasos de 22,5 º y necesitará 8 pulsos para girar 180 º. Pero recuerde, el motor real de la VEE tipo KV de Danfoss, tiene 24 polos (6 polos más que nuestro motor de ejemplo) y por lo tanto con 8 pulsos aplicados solo habrá girado una sexta parte, esto es, 30 º. Secuencia de giro de un motor bipolar: Para lograr el giro de un motor bipolar, el controlador electrónico debe invertir en sentido las polaridades de los pulsos de tensión aplicados cada bobina I y II. En la figura 12 se muestra la secuencia de pulsos con sus polaridades que tendríamos que aplicar al motor PaP de la VEE de Danfoss tipo ETS.

Fig. 12: Secuencia de pulsos para el giro del motor PaP bipolar en la VEE ETS (Danfoss).

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Las válvulas de expansión electrónica VEE con motores PaP son las más modernas que ha producido la tecnología, en un intento de resolver las dificultades planteadas para conseguir la regulación precisa que tenían los tipos precedentes. Con este tipo de VEE se lograr una modificación del caudal de forma precisa y continua, sin realizar saltos bruscos. Para ello utilizan una tecnología diferente que consiste en producir el avance del émbolo mediante un motor PaP que solamente gira un pequeño ángulo cada vez que recibe un pulso de corriente eléctrica. Los sensores de temperatura colocados a la entrada y salida del evaporador envían los datos al controlador electrónico que es el encargado de emitir la señal para que el motor ejecute los pasos necesarios, para producir un grado de apertura o cierre determinado de la válvula. Cuanto más pequeño sea el ángulo que el motor gira cada vez, mayor precisión se logrará en la apertura y cierre de la válvula, puesto que el émbolo avanzará con desplazamientos menores. En tal caso, se dice que la válvula tiene mayor capacidad de resolución. La empresa Danfoss dispone de motores PaP de alta velocidad con un tiempo necesario para apertura o cierre completo que oscila entre 3 y 13 segundos y el número de pasos varía entre 250 y 1.000, en función del tamaño de la válvula. Con lo que puede verse que lo que se consigue es prácticamente una regulación continua. Este tipo de VEE presenta las siguientes ventajas respecto a las válvulas de expansión termostáticas convencionales: Utilización óptima del evaporador en cualquier condición de carga. Optimización del recalentamiento, que se puede ajustar a valores más pequeños que con las VET´s (unos 2 ºC). No presentan los problemas de las VEE pulsantes de los golpes de ariete. Montaje sencillo y facilidad de puesta en marcha. El controlador electrónico incorpora múltiples funciones: termostato, alarma, diagnóstico para averías...

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