1. CARACTERÍSTICAS DE LOS TERMOSTATOS
A la hora de elegir un termostato debemos interpretar correctamente los datos que nos proporcionan los fabricantes en los catálogos para elegir aquel que mejor se adapte a nuestra maquina frigorífica. A continuación vamos a describir los parámetros que se muestran en los catálogos de los fabricantes: Gama de funcionamiento: Indica el intervalo de temperaturas que es posible ajustar en el set point o punto de consigna. Cuanto mayor es este intervalo menor es la sensibilidad del termostato. La sensibilidad es la mínima variación entre dos temperaturas que es posible ajustar. Un termostato con poca sensibilidad, por ejemplo no permitirá realizar un ajuste entre una temperatura de – 5 º C y otra de – 10 º C. Diferencial: Es la diferencia entre la temperatura de conexión y la temperatura de desconexión, esto es, la variación de temperatura que tiene que producirse para que el contacto del termostato cambie de posición. El diferencial puede ser fijo o en cambio se puede ser ajustable. En este caso, los fabricantes suelen indicar la forma en que se produce dicha variación. En la figura 1 se muestra la información facilitada por DANFOSS para uno de sus termostatos diferenciales RT2. Como podemos ver en la figura 3, se ha ajustado el termostato para una temperatura negativa de – 20 º C (ajuste de gama) y el ajuste del diferencial se ha situado en 1,7 K, pero en cambio en valor del diferencial con el que el termostato trabaja realmente (diferencial obtenido) es de 6 º C. Fíjate en la gran diferencia que se produce, en este caso, entre el valor ajustado y el valor obtenido, ya que como vemos, el diferencial varía con el ajuste de la consigna o set point.
Fig. 1: Nomograma para ajuste del diferencial (DANFOSS). En definitiva que para realizar el ajuste del termostato será necesario ajustar solamente dos valores, para el fabricante Danfoss, el ajuste de gama (SP) y el diferencial (DIFF), para otros fabricantes como ALCO Controls, se ajusta directamente en las dos escalas el punto de corte superior tmax y el diferencial deseado ∆t, mientras que el punto de corte inferior tmin viene determinado por la fórmula: (tmax –∆t = tmin) (ver figura 2). Sistema de contacto: Se refiere al tipo de contacto que incorporan los termostatos, generalmente se trata de un contacto conmutado unipolar (SPDT Single pole, double throw). En la figura 3 aparece el esquema de conexiones para los termostatos DANFOSS. Cuando la temperatura es superior a la seleccionada en el ajuste de gama, el contacto se activa (ON) y cambia de posición, es decir, pasa a ocupar la posición 1-4 funcionando el compresor. Por otro lado, cuando la temperatura desciende por debajo de la temperatura ajustada menos el diferencial, el contacto se desactiva (OFF) y pasa a la posición 1-2.
1
Fig. 2: Termostato sin carcasa y detalle de los contactos eléctricos. Observa que en la figura 3 la indicación que proporciona Danfoss en el esquema eléctrico NO corresponde con la normativa eléctrica que dice “los contactos se representan sin accionar y sin tensión” y en este caso Danfoss lo representa en la posición 1-4 que corresponde a su estado accionado cuando la temperatura está por encima del SP.
Fig. 3: Contactos para termostato DANFOSS. En la propia figura 5, se puede ver que el motor que acciona el compresor se pone en serie con el contacto en la posición 14, por lo que dicho contacto tiene que ser capaz de soportar la intensidad de consumo del motor de accionamiento del compresor. Carga de los contactos: Este parámetro indica la intensidad máxima que puede pasar por los contactos de forma permanente sin que sufran deterioro y la tensión que pueden soportar el contacto cuando esta abierto. Generalmente se indica para una categoría de empleo dada, en corriente alterna o corriente continua (AC1, AC 3,…) o bien señalando directamente el régimen de carga del motor. La categoría de empleo representa un conjunto de prescripciones referentes a las condiciones en las que el termostato debe cumplir su cometido, elegidas para representar un grupo característico de aplicaciones prácticas. Este dato es muy importante si queremos conectar el termostato en serie con el motor del compresor (sólo para motores monofásicos) ya que la intensidad nominal del motor no debe superar al valor de carga de los contactos. En la tabla 1 se especifica la intensidad que aguanta el contacto cuando está cerrado, así como la tensión máxima que puede soportar cuando está abierto.
2
Corriente alterna
Corriente continua
Ohmica:
Inductiva:
AC1 = 10 A, 400 V
AC3 = 4 A, 400 V AC15 = 3 A, 400 V
DC13 = 12 W, 220 V
Tabla 1: Datos técnicos de la carga de los contactos de un termostato.
Rearme: Indica cómo retornan a la posición inicial, después de un cambio, los contactos del aparato. En un termostato puede ser automático o manual. Termostatos con rearme automático: Ajustamos la temperatura de accionamiento del compresor en la escala “RANGE” y ajustamos el diferencial en la escala “DIFF”. Si la temperatura supera el valor en RANGE el compresor se pone en funcionamiento. El compresor se parará cuando la temperatura caiga por debajo del valor de RANGE menos el valor del DIFF. Prestar atención a que el diferencial depende del ajuste en la escala de rango. La escala de diferencial debe sólo ser utilizada a título orientativo. Si el compresor no se para cuando se haya alcanzado el ajuste bajo de la temperatura “stop”, averiguar si el diferencial no está ajustado a un valor demasiado elevado. Rearmen manual: Si el rearme es manual debemos accionar un botón para devolver los contactos a la posición original, cuando la temperatura haya superado el valor correspondiente según el tipo de rearme manual, esto es: • Termostatos con rearme mínimo: Ajustar la temperatura más baja en la escala de rango que corresponderá con la temperatura de parada. El ajuste del diferencial es fijo. El compresor se puede poner de nuevo en marcha apretando el botón “Reset”, después de que la temperatura del bulbo del termostato haya aumentado con un valor igual al diferencial fijo (ver figura 4). • Termostatos con rearme máximo: Ajustar la temperatura más elevada en la escala de rango que corresponderá con la temperatura de parada. El ajuste del diferencial es fijo. El compresor se puede poner de nuevo en marcha apretando el botón “Reset” (Rearme), después de que la temperatura del bulbo del termostato haya disminuido con un valor igual al diferencial fijo (ver figura 4).
Fig. 4: Rearmen manual de un termostato KP de Danfoss
3
Los termostatos con rearme manual no deben emplearse para funciones de automatización.
1.1 Termostatos dobles
Los termostatos dobles incorporan dos bulbos y se emplean principalmente para proteger la máquina frigorífica contra una temperatura demasiado elevada del gas de descarga y mantener al mismo tiempo una temperatura conveniente del aceite en el compresor. Un ejemplo es el termostato KP 98 de Danfoss que puede ser utilizado en el lado de alta temperatura (HT) para evitar que la temperatura del gas caliente exceda el máximo admisible bajo condiciones extremas de funcionamiento (presión de evaporación baja, presión de condensación elevada, recalentamiento del gas de aspiración muy alto). Es importante controlar la temperatura de descarga puesto que si la temperatura del gas caliente es excesiva, el refrigerante se descompone y se deterioran las válvulas de descarga del compresor. El riesgo es más elevado en instalaciones de refrigeración con una tasa elevada de compresión (por ejemplo, instalaciones con NH3 o R 22), así como aplicaciones de bypass de gas caliente. Como vemos en la figura 5, el KP 98 está dotado de dos funciones termostáticas por separado: El sensor HT, que controla la temperatura del gas de descarga y va situado en la línea de presión inmediatamente después del compresor. El sensor OIL que debe controlar la temperatura del aceite, y que está situado en el carter del compresor.
Fig. 5: Instalación termostato KP 98
Cuando la temperatura del aceite es baja el contacto OIL pasa a la posición A-B, el compresor se para y circula corriente por la resistencia Q que caliente dicho aceite hasta que alcanza la temperatura adecuada, momento en el cual el contacto vuelve a la posición representada en la figura 6 y el compresor se puede poner en marcha. Por otro lado si la temperatura de descarga está por encima del valor ajustado el contacto HT se abre y el compresor para. Fig. 6: Contactos del termostato KP 98 DANFOSS.
1.2 Termostatos electrónicos
En la actualidad se emplean con mucha frecuencia los termostatos electrónicos, que además de llevar la función de termostato, suelen llevar otras funciones como la de termómetro, alarma, fin de desescarche...
4
Recuerda que un termostato no mide la temperatura, esa función la realizan los termómetros.
Los termostatos electrónicos para su funcionamiento necesitan que se le conecten sensores de temperatura. ¿Qué es un sensor de temperatura? Pues bien, es un dispositivo que permite convertir la temperatura en una variable eléctrica como por ejemplo, resistencia, tensión o intensidad. Así pues, podemos decir que el sensor de temperatura se encarga de enviarle al termostato el valor de la temperatura que está midiendo en forma de señal eléctrica (resistencia, tensión o intensidad) que será con la que el termostato trabajará. Este tipo de termostatos son fáciles de manejar y es posible programar de forma sencilla el diferencial, el tipo de sonda a conectar, la calibración de la sonda, las alarmas… por lo que su flexibilidad es muy grande. Vamos a describir las características de los sensores de temperatura que conectaremos al termostato electrónico.
Fig. 7: Termostato electrónico AKO y esquemas de conexionado.
1.2.1 Sensores de temperatura: Termoresistencias
Consiste en un alambre cuya resistencia eléctrica cambia al variar la temperatura. Las de uso más común se fabrican de alambres finos soportados por un material aislante y luego encapsulados. El elemento encapsulado se inserta luego dentro de una vaina o tubo metálico cerrado en un extremo, que se llena con un polvo aislante y se sella con cemento para impedir que absorba humedad. La interconexión entre termorresistencias e instrumentos se realiza con cable común de cobre. El valor de la corriente de medición de una termorresistencia debe ser baja para que el autocalentamiento que produce en el propio sensor (efecto Joule) afecte lo menos posible a la medición de la temperatura. Podemos hacer una clasificación de las termorresistencias en función de la variación de su resistencia con la temperatura: PTC: Al aumentar la temperatura, aumenta la resistencia. NTC: Al aumentar la temperatura, disminuye la resistencia. Otra posible clasificación atendería al material del que están empleadas. Así tenemos, entre otras:
5
Fig. 8. Ejemplo de NTC.
Pt 100: Termorresistencias de platino de valor 100 Ω a 0 °C. Son las que miden rangos más amplios de temperaturas, las más exactas y estables, ya que es difícil que se contaminen con el medio en que se encuentran. Además su relación resistenciatemperatura es más lineal que la de cualquier otro material (con la excepción del cobre). Ni 500: Termorresistencia de níquel de valor 500
Ω a 0°C.
En ocasiones el elemento sensor y el termostato electrónico se encuentran muy alejados el uno del otro. En este caso es necesario conectar la termorresistencia a un convertidor de señal que proporcione una señal de voltios o mA. Generalmente se suelen utilizar los valores 0 - 10 Voltios, 0 - 20 mA ó 4 - 20 mA (ver figura 10).
Fig. 9: Curva de una resistencia Pt 100.
Fig. 10. Termorresistencias de platino.
Fig. 11. Detalle Pt 100 sin conectar y una vez instalada. Danfoss utiliza un sensor de temperatura como es la Pt 1000 ohm /0°C (modelos AKS) el cual lo recomienda para mediciones precisas de temperatura como por ejemplo, recalentamiento, registros de seguridad de los alimentos y otras mediciones importantes de temperatura. La unidad del sensor consta de un elemento de platino, cuya resistencia es de tipo PTC y presenta 1000 ohmios a 0 ºC
Fig. 12: Detalle de sensores de temperatura (Doc. Danfoss)
6
También este mismo fabricante Danfoss tiene la PTC 1000 ohm/25°C (modelo EKS 111). Este sensor se utiliza principalmente con controles de tipo EKC 202, AK-CC 210 y EKC 301, si la tolerancia puede ser aceptada ya que el sensor presenta una tolerancia relativamente grande en la resistencia. Esto significa que no puede utilizarse para los valores de medición utilizados para registros precisos de alimentos o regulación del recalentamiento. El sensor se basa en un elemento PTC con una resistencia de 1000 ohmios a 25 ºC. Otro sensor de temperatura es el dispositivo EKS 211 de Danfoss. Se trata de una termorresistencia NTC con valor de 5000 ohm/25°C. Este sensor se utiliza fundamentalmente con controladores electrónicos de tipo EKC 100 en los que la tolerancia puede aceptarse. El sensor presenta una tolerancia relativamente grande en la resistencia. Esto significa que el sensor no puede utilizarse para los valores de medición utilizados para registros de seguridad de alimentos. El Sensor NTC se utiliza para mediciones de temperatura en las áreas de Refrigeración, Aire acondicionado y Calefacción
Fig. 13: Tolerancia del sensor NTC EKS 211 (Doc. Danfoss)
1.2.2 Sensores de temperatura: Termopares
Es un dispositivo utilizado para medir temperatura basado en la fuerza electromotriz que se genera al calentar la soldadura de dos metales distintos. No mide temperaturas absolutas, sino la diferencia entre el extremo caliente y el frío. Los termopares son muy usados como sensores de temperatura. Son baratos, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Los termopares se designan mediante letras (T, E, J, K, R, N, B) que indican los materiales que contienen. El más utilizado en refrigeración es el termopar tipo T (Cu-Constantan). Observa ahora la gráfica de la figura 16 y compara los rangos de aplicación de termopares y termorresistencias.
Fig. 14. Fundamento del termopar.
Fig. 15: Esquema de conexiones de un controlador (Eliwell)
7
Fig. 16: Rango de temperaturas de uso de termorresistencias y termopares. Existen termostatos que admiten distintas señales de los sensores, tal es el caso del termostato digital de la firma Eliwell que se muestra en la figura 15. Por lo tanto deberás prestar especial atención a la forma de conectar un determinado sensor. Para el caso de la Termorresistencia PT100, debemos fijarnos que puede venir con 2 hilos o tres hilos. ¿Para que son necesarios 3 hilos? Veamos, el termostato debe hacer circular una corriente por la propia PT100 para poder medir la tensión que resulta (Ley de OHM) y en función del valor obtenido hacer la conversión a º C o º F. Lo que ocurre es que no solo va a influir la propia resistencia de la PT100 en la tensión tomada por el termostato para la conversión a temperatura, sino además la resistencia del hilo que la une con el termostato. Pues bien, si conectamos la PT100 con tres hilos, la resistencia de éstos hilos no va a influir en la tensión obtenida por el termostato. En este caso la resistencia medida por el controlador corresponde solo a la PT100.
1.2.2 Transmisores de presión
Las señales de corriente 4 - 20 mA son muy empleadas no sólo con las sondas de temperatura sino que también con los sensores de presión, pues permiten detectar roturas en el cable del sensor. En la figura 17 aparece la señal procedente de un sensor de presión con un rango de 0 a 30 bar y señal de 4 a 20 mA. Los transmisores de presión AKS 32 y AKS 33 de Danfoss son dispositivos que miden la presión y transforman el valor de medición en una señal estándar: 1 → 5 V CC para AKS 32 4 → 20 mA para AKS 33 Fig. 17: Señal correspondiente a un sensor de presión
8
El AKS 32R es un transmisor de presión que transforma la presión medida en una señal de salida lineal. El valor mínimo de la señal de salida es del 10% de la tensión real de suministro. El valor máximo es del 90% de la tensión real de suministro. A una tensión de suministro de 5 V se obtiene una señal de salida lineal, entre 0.5 V y 4,5 V. Se utilizan en aplicaciones de Instalaciones de aire acondicionado, Instalaciones de refrigeración, Control de procesos y Laboratorios.
Fig. 18: Transmisor de presión AKS 32 y 33 (Danfoss)
1.3 Funciones de los Termostatos electrónicos
Como ya hemos comentado los termostatos electrónicos incorporan varias funciones además del propio control de temperatura, como es el caso del control de temperatura de Danfoss EKC 100, en el cual su funcionamiento, ajuste y programación están optimizados y simplificados al máximo. El controlador está diseñado para el control de temperatura y de desescarche con válvula solenoide (ver figura 19) o con arranque/parada del compresor. En la tabla de la figura 19 se muestran los parámetros de configuración, donde ajustamos el set point (temperatura de ajuste), el diferencial, los tiempos de funcionamiento y de parada mínimos del compresor y los parámetros de desescarche. En la unidad 10 “Aparatos Electrónicos” mostraremos dispositivos electrónicos más completos.
Fig. 19: Conexiones y parámetros de configuración del Controlador de temperatura EKC 100 (Danfoss)
9
1.4 Termostatos con zona neutra
Los termostatos con zona neutra (también llamada zona muerta) se emplean a menudo en instalaciones con bomba de calor. Disponen de dos contactos, en donde la zona neutra es la banda limitada por dos valores de temperatura entre los cuales los dos contactos se encuentran en OFF (desactivados). O también pueden tener un contacto, el cual tiene una posición en la que el borne común no se conecta a ninguna de las salidas, es la zona neutra (ver figura 20). En la figura 21 aparece el esquema de conexiones de un termostato para una bomba de calor que incorpora dos contactos, uno para frío y otro para calor. En este caso la zona neutra (ZN) se sitúa por encima del set point (SP). La diferencia en la conmutación de los contactos se debe al diferencial, que en este caso no es ajustable.
Fig. 20: Contacto de un termostato en posición de zona neutra.
Fig. 21: Esquema conexión y diagrama de funcionamiento de termostato con zona neutra.
EJERCICIO 1: Indica cómo se encontrarán los contactos del termostato de la figura 12 si la temperatura varía como se indica en el siguiente gráfico y los ajustes son SP=19 °C, ZN=4 °C y el diferencial es de 2 °C.
SOLUCCION:
10
La siguiente figura muestra cómo se encuentran los contactos del termostato, teniendo en cuenta la temperatura, ajuste y diferencial indicados:
1.5 Ajuste del Termostato
Recuerda que el termostato no mide temperatura y que, por tanto, para ajustarlo es recomendable utilizar un termómetro con el fin de contrastar los valores de temperatura con los puntos de corte ajustados en el termostato. En el caso de los termostatos electrónicos disponen de la posibilidad de añadir los º C seleccionados a la temperatura que miden para corregir la desviación que tienen con respecto a un termómetro que se tome como patrón.
Fig. 22: Ajuste de un termostato ALCO.
11
En el caso de los termostatos convencionales, las escalas que aparecen en el termostato sólo debes utilizarlas de forma orientativa. Según el tipo de termostato, el ajuste puede variar. Como ejemplo, en la figura 22 te indicamos cómo se ajusta el termostato de ALCO.
1.7 Instalación del Termostato
Para realizar una correcta instalación del termostato, lo mejor es seguir las instrucciones que los fabricantes recomiendan. A modo de ejemplo te indicamos algunas de dichas recomendaciones para los termostatos Danfoss de la serie KP. Si la circulación de aire es insuficiente, podría aumentar el diferencial en 2 - 3 º C. Instale el termostato de modo que el aire puede circular libremente alrededor del sensor. Al mismo tiempo, asegúrese de que el sensor no esté expuesto a corrientes de aire procedentes de las puertas o a radiaciones de la superficie del evaporador. No instale nunca el termostato sobre una pared fría; esto aumenta el diferencial. En cambio, instale la unidad sobre una placa aislante. Cuando ubique el sensor del termostato KP con sensor de aire, recuerda que el aire ha de poder circular libremente alrededor del sensor. Por ejemplo, cuando el control se realiza en base a la temperatura del aire de retorno, el sensor no debe estar en contacto con el evaporador. Para el caso del termostato KP con sensor cilíndrico, hay tres maneras de fijar el sensor:
Fig. 23: Colocación correcta termostato
1) En la tubería. 2) Entre las aletas del evaporador. 3) En un receptáculo. En este caso, se deberá utilizar pasta conductora de calor para asegurar un contacto correcto entre el sensor y el medio. Para el caso del Doble termostato KP 98, El sobrante de tubo capilar puede romperse si se producen vibraciones, dando lugar a una pérdida total de carga en el sistema. Por consiguiente, es sumamente importante que se observen las siguientes normas: Cuando el montaje se realiza directamente sobre el compresor: Fije el tubo capilar de modo que la instalación del compresor/termostato vibre al mismo tiempo. El sobrante de tubo capilar ha de estar bobinado y atado. Otros tipos de montaje: Con el tubo capilar sobrante hacer una bobina circular (bucle) suelta. Fije al compresor el trozo de tubo capilar situado entre el compresor y el bucle. Fije el trozo de tubo capilar situado entre el bucle y el termostato a la base sobre la que se haya montado el termostato. Para el caso de termostatos KP con cargas de vapor no lo ubique nunca en un local en el que la temperatura sea o pueda ser inferior a la de la cámara fría (ver figura 25).
Fig. 24: Colocación del sobrante de capilar
No permita nunca que el tubo capilar del termostato KP pase junto a un tubo de aspiración al atravesar una pared (ver figura 26).
12
Fig. 26: EL tubo capilar no puede pasar junto al tubo de aspiración
Fig. 25: Termostato con carga de vapor el bulbo debe estar mas frío que el cuerpo
Instalación del bulbo en un termostato con carga de vapor. Observa que el bulbo debe encontrarse en el lugar más frío, como ya hemos comentado anteriormente, y que el capilar no debe montarse formando un sifón (ver figura 27). Para el caso de termostatos electrónicos, la sonda de desescarche debe ir montada en el evaporador en las áreas muertas en la zona más fría (ver figura 28). Los cables para el conexionado de los contactos de los relés, deberán tener la sección que indique el fabricante. La sonda y su cable correspondiente NUNCA deben instalarse en una conducción junto con cables de potencia, control o alimentación, pudiéndose prolongar sin que produzca desviación.
Fig. 27: EL tubo capilar no debe montarse formando un sifón
Fig. 28: Colocación sonda de desescarche
13
