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VALVOLE DI ESPANSIONE ELETTRONICHE

M. Alotto - Danfoss

Le valvole di espansione elettroniche sono le protagoniste di questa sezione delle Note Per l’Installatore. Argomenti come il riempimento ideale dell’evaporatore (anche con variazioni di carico notevoli), punti MOP flessibili, uso della massima temperatura di evaporazione possibile per aumentare l’efficienza energetica, sono sempre di grande interesse per i progettisti e gli operatori dei sistemi di refrigerazione. In molti casi, questi requisiti non possono essere adeguatamente soddisfatti se si utilizzano valvole di espansione termostatica standard.  Le valvole di espansione elettroniche invece, sono perfettamente idonee allo scopo. Offrono basso surriscaldamento, maggiore pressione di evaporazione e COP migliore.

I vantaggi nell’utilizzo di un regolatore elettronico del surriscaldamento sono ovvi. L’evaporatore viene sempre riempito con la quantità ottimale refrigerante. Anche in presenza di significative variazioni del carico, che implicano una vasta gamma di condizioni di funzionamento a carico parziale, viene sempre iniettata la giusta quantità di refrigerante. Questo avviene perché il valore corrente di surriscaldamento nell’evaporatore viene costantemente rilevato da un trasduttore di pressione (indicato dalla “P” in Figura 1) e da un sensore di temperatura particolarmente sensibile (“S2” in Figura 1) che trasmettono le informazioni relative al regolatore (EKC 315A) praticamente in tempo reale. In base a tali informazioni, il regolatore può definire il livello ottimale minimo di surriscaldamento. La regolazione adattiva dell’iniezione di refrigerante permette di utilizzare l’evaporatore in condizioni ideali raggiungendo di conseguenza la massima pressione di evaporazione possibile nel sistema considerato. Questo non solo significa valori COP maggiori, ma anche risparmi energetici, perché il valore COP è equivalente alla capacità di raffreddamento divisa per il consumo di potenza.

Costante ottimizzazione del surriscaldamento

Il surriscaldamento si adatta sempre al valore del minimo segnale stabile (linea MSS) dell’evaporatore, per evitare in maniera affidabile qualsiasi spostamento del segnale nella regione instabile (a sinistra della linea MSS in Figura 2). Il regolatore EKC 315A inizialmente sceglie un valore arbitrario di riferimento per il surriscaldamento, ad esempio 8 °K, quindi tenta di mantenere tale valore (8 °K) come valore di riferimento del sistema. Quando tutte le informazioni, cioè il valore corrente della temperatura di surriscaldamento “S2” e il valore corrente della pressione di evaporazione “P”, insieme ai dati storici di questi due parametri, sono stati memorizzati per essere utilizzati per l’ottimizzazione della funzione di regolazione, il regolatore può facilmente decidere se il valore che sta cercando di raggiungere è realisticamente ottenibile alle condizioni prevalenti di carico attuali. Ad esempio, se la pressione di evaporazione fluttua sensibilmente e il valore di surriscaldamento cambia rapidamente, significa che il regolatore deve cercare di raggiungere un valore di riferimento del surriscaldamento maggiore. Invece, se il surriscaldamento e la pressione di evaporazione rimangono praticamente stabili, il regolatore può continuare a operare riducendo progressivamente i valori di riferimento del surriscaldamento, ad esempio a 7 °K, 6 °K, 5 °K, e così via. La verifica costante del livello ottimale di surriscaldamento è un vantaggio decisivo delle valvole di espansione elettroniche rispetto alle valvole puramente termostatiche. Le valvole termostatiche devono essere preimpostate su un valore di riferimento massimo del surriscaldamento, in corrispondenza alla caratteristica MSS specifica del sistema. Tuttavia non sempre è facile determinare questo valore e quindi le già non ideali condizioni iniziali possono addirittura peggiorare se l’installatore aggiunge un fattore di sicurezza al valore minimo di surriscaldamento definito in fase di avviamento. In termini di affidabilità operativa del sistema questa non è una cattiva idea perché definire un valore di surriscaldamento leggermente maggiore è sicuramente meglio di “scarichi” occasionali della valvola. Tuttavia questa precauzione ha un effetto negativo per l’efficienza energetica complessiva del sistema. Con il sistema di iniezione elettronica EKC 315A, il margine di sicurezza non è necessario perché il livello di surriscaldamento del sistema viene regolato automaticamente, come spiegato in precedenza.

Punto MOP selezionabile a piacere

Un aspetto importante ma spesso sottovalutato della regolazione elettronica dell’iniezione è il fatto che è possibile selezionare a piacere il punto MOP. Come descritto nei due fascicoli relativi alle valvole termostatiche, il punto MOP (acronimo che sta per “Maximum Operating Pressure”) dipende evidentemente dalla pressione di evaporazione massima della valvola di espansione. Le valvole di espansione termostatiche hanno punti MOP molto specifici (in alcuni casi non hanno un punto MOP) e quindi è necessario scegliere un componente diverso per ogni applicazione (ad esempio, -20 °C per frigoriferi oppure +15 °C per un compressore d’aria). Nel caso delle valvole di espansione elettroniche il punto MOP può essere definito a piacere e, se necessario, può anche essere corretto o modificato passando ad un valore completamente diverso. Ciò significa che nella maggior parte dei casi sarà possibile fare a meno del regolatore di avviamento, con risparmi significativi se si tratta di sistemi di grandi dimensioni. Inoltre, poter impostare il valore di riferimento desiderato è più comodo e più veloce con il regolatore elettronico piuttosto che con un regolatore di avviamento meccanico.

Funzionamento

Il regolatore è comandato da due pulsanti: Utilizzando questi due pulsanti e il display a tre cifre è possibile programmare tutte le impostazioni del regolatore e visualizzare tutti i dati importanti. In tal modo ogni installatore o tecnico di manutenzione può intervenire sul ciclo di controllo oppure visualizzare i dati più importanti. Oltre ad utilizzare il menu del regolatore per visualizzare i vari parametri configurabili, ad esempio il tipo di refrigerante, è anche possibile modificare i fattori di guadagno e di stabilità in modo da tararli con precisione in base alle esigenze specifiche di determinati processi. Ad esempio, è possibile tarare il regolatore di surriscaldamento in modo da prevenire variazioni cicliche del valore di surriscaldamento. È anche possibile scegliere tra regolazione adattiva e regolazione in funzione del carico. La regolazione adattiva del surriscaldamento è già stata descritta in dettaglio. Nel caso della regolazione in funzione del carico, il sistema viene intenzionalmente fatto funzionare ad un valore maggiore di surriscaldamento per particolari condizioni di carico parziale, ad esempio per garantire periodi minimi di funzionamento di compressore prolungati oppure per migliorare le prestazioni di raffreddamento dell’evaporatore. Ciò rende possibile evitare saltuariamente gli sbrinamenti.

Servizio

Il menu Servizio del regolatore elettronico di surriscaldamento è particolarmente utile per gli installatori in fase di avviamento, così come per i tecnici di manutenzione nel momento degli interventi. Tutti i parametri che iniziano con la lettera “u” indicano valori di sistema significativi per la ricerca guasti e per identificare lo stato del sistema. Questi parametri sono particolarmente importanti: “Mostra surriscaldamento”, “Mostra temperatura del sensore S2” (cioè all’uscita dell’evaporatore) e “Mostra temperatura di evaporazione”. Questi tre valori forniscono informazioni sullo stato del sistema. In primo luogo possono essere letti facilmente e rapidamente, senza necessità di dover usare un manometro o un termometro per misurarli. Inoltre permettono di vedere immediatamente quali valori il regolatore ha accettato come valori di impostazione. Ad esempio, per un sistema elettronico un installatore esperto controllerà di norma tutti i sensori prima di mettere il sistema in manutenzione (con i normali sensori resistivi è sufficiente usare un ohmmetro, ad esempio un sensore Pt100 ha una resistenza di 1000 Ohm a 0 °C) per evitare di perdere tempo a cercare un guasto se un sensore non mostra il valore corretto. Questa procedura può essere evitata, semplicemente scorrendo i valori del menu Servizio perché si può valutare immediatamente se tali valori sono realistici (e in caso di dubbi, controllare con un termometro o un manometro).

Funzionamento manuale del relè di uscita

Naturalmente le uscite del regolatore sono importanti quanto gli ingressi. Proprio per semplificare questo aspetto in fase di messa in servizio, il menu del regolatore permette di escludere manualmente le uscite della valvola AKV, della valvola solenoide e dell’allarme. Un tipico esempio di problemi di regolazione è la mancata commutazione di un’uscita, che può essere dovuta al fatto che il regolatore non ne ha comandato la commutazione (perché non lo ritiene necessario) oppure ad un guasto di qualche tipo. Anche gli installatori esperti, di fronte a questo tipo di problema, possono essere costretti a sprecare ore o giorni di lavoro prima di individuare la causa. Quindi si raccomanda vivamente di controllare attentamente il corretto funzionamento di tutti i relè di uscita più importanti prima di mettere in esercizio un sistema. In tal modo si scoprono immediatamente anche eventuali errori di cablaggio o collegamenti malfunzionanti.

Valvole elettroniche a regolazione continua

È possibile utilizzare valvole ETS, ICM, o AKV. La differenza tra questi attuatori èche: ETS e ICM sono valvole a regolazione continua e vengono spesso utilizzate in refrigeratori che usano refrigeranti R407C, quando ogni grado nel valore della temperatura di surriscaldamento è importante e qualsiasi variazione della pressione di evaporazione deve essere evitata. il regolatore può essere utilizzato in modalità P, PI oppure PID. Con la regolazione P, il regolatore permette un normale controllo proporzionale alla variabile di errore (ad esempio, se il surriscaldamento aumenta troppo , l’apertura della valvola aumenta proporzionalmente in misura uguale). Con la regolazione PI, il tempo di ripristino (la componente “I” ) può essere regolata in maniera indipendente. Ciò significa che il tempo di risposta del regolatore può essere impostato a piacere, ovvero che il regolatore può essere impostato per essere più reattivo o più “lento”. Può essere necessaria uno o l’altra di queste regolazioni. La componente “D” della regolazione PID migliora ulteriormente la risposta di regolazione a improvvise variazioni del valore di riferimento del surriscaldamento. Questa modalità è particolarmente consigliata se un sistema di iniezione viene fatto funzionare con variazioni del valore di riferimento del surriscaldamento comandate dall’esterno, ad esempio da un ulteriore regolatore di livello gerarchico superiore. Se viene utilizzata una valvola ETS o ICM, è necessario installare anche una valvola solenoide sulla linea del liquido, controllata a sua volta dall’EKC. Nelle situazioni in cui si è costretti a fare a meno della valvola solenoide, è indispensabile collegare un UPS all’attuatore (ICM) e/o al regolatore (ETS). Questo è necessario perché, in caso di improvvisa caduta della tensione di rete, gli ICM o ETS rimarrebbero in posizione aperta continuando a iniettare refrigerante nell’evaporatore, il che causerebbe danni gravi e anche il guasto definitivo del compressore. Con l’UPS, la valvola può sempre chiudersi, anche in caso di assenza di alimentazione di rete. Modulazione di larghezza degli impulsi Nei sistemi che utilizzano la modulazione di larghezza degli impulsi con una valvola AKV, è necessario aggiungere un’ulteriore valvola solenoide sulla linea del liquido, perché la valvola potrebbe sempre bloccare il flusso del refrigerante, tornando automaticamente in posizione chiusa in caso di assenza di tensione di rete. La combinazione EKC/AKV opera in modulazione della larghezza degli impulsi. Questo significa che, in funzione del grado di apertura desiderato della valvola, la valvola AKV è sempre completamente aperta per una parte del periodo e sempre chiusa per il resto del periodo. Ad esempio, con apertura 50% e un intervallo standard dell’impulso pari a 6 secondi (valore che può essere regolato a piacere), la valvola rimane aperta per 3 secondi e chiusa per 3 secondi. Con apertura 20%, il valore corrispondente del tempo di apertura è 1,2 secondi con 4,8 secondi di chiusura.

Dimensionamento della linea del liquido

In particolare se si usa una valvola a modulazione della larghezza degli impulsi, è necessario prestare molta attenzione al corretto dimensionamento della linea del liquido. La letteratura tecnica specifica su questo argomento suggerisce un valore indicativo per la velocità di 0,5 m/sec per determinare il diametro della linea del liquido. Tuttavia, esaminando i sistemi di refrigerazione correnti si nota che il valore è prossimo a 1 m/sec. Normalmente questo valore non crea problemi con la comuni valvole di espansione termostatiche (a regolazione continua) ed è quindi diventato il valore più utilizzato come regola empirica. Ma la situazione con valvole a modulazione della larghezza degli impulsi è differente. In questo caso è necessario seguire la regola dei 0,5 m/s come valore di progetto per la massima capacità della valvola, anziché per la sola capacità dell’evaporatore. Seguendo questa regola, la maggior parte dei progettisti sceglierebbe tubazioni in rame da 12 mm per la linea del liquido con un evaporatore da 7 kW in un sistema con refrigerante R404A e una temperatura di evaporazione di -10 °C (senza sottoraffreddamento speciale). In tal caso la portata sarebbe 0,92 m/s, valore che rientra sicuramente nella normalità. Applicando strettamente la regola, sarebbero necessarie tubazioni da 15 o 16 mm per ottenere un valore prossimo a 0.5 m/s. Infine, se si considera la capacità della valvola invece della capacità dell’evaporatore, potrebbe anche essere necessario usare tubazioni da 18 mm (esempio: capacità della valvola 10 kW; Le valvole AKV non sono mai progettate per apertura al 100 %, quindi il progetto del sistema deve considerare un intervallo di aperture tra il 30% e il 70%). Se si rispetta il principio citato, si eviterà quasi completamente la presenza nel sistema di liquido accelerato, che a sua volta può essere causa di rumorosità delle tubazioni o di vibrazioni delle stesse. In questo tipi di sistemi, l’iniezione elettronica è una soluzione altrettanto valida quanto i sistemi termostatici convenzionali, in termini di durata e di affidabilità.

Umidità

Gli specialisti di refrigerazione sanno che il tema dell’umidità presente nell’aria gioca un ruolo molto importante nella progettazione dei sistemi di refrigerazione, particolarmente per la refrigerazione di prodotti non imballati, carne, frutta e verdura. Tuttavia questo tema non viene approfondito, nel caso di queste applicazioni, tanto quanto viene invece preso in considerazione parlando di impianti di condizionamento dell’aria, in cui vengono largamente utilizzati igrostati e umidificatori se il livello di umidità è troppo basso. L’umidificazione invece può essere necessaria anche negli impianti frigoriferi, in determinate situazioni. Solitamente si ricorre a soluzioni indirette, ad esempio regolando la velocità della ventola dell’evaporatore oppure la velocità dell’evaporatore. (Una velocità inferiore della ventola si traduce in una temperatura di evaporazione inferiore, che causa una deumidificazione, e viceversa) In un sistema a iniezione elettronica, questo aspetto può essere controllato direttamente: utilizzando semplicemente un segnale 4-20 mA per variare il valore di riferimento del surriscaldamento si può ottenere una deumidificazione nulla o quasi con il minimo surriscaldamento possibile oppure una maggiore deumidificazione con surriscaldamento maggiore. Naturalmente vale sempre la regola che per la deumidificazione la temperatura deve comunque essere inferiore al punto di condensa. Questo tipo di sistema può essere facilmente tarato con precisione in base alla quantità di condensa depositata nell’evaporatore. A parte gli impianti per la conservazione di frutta e verdura, un sistema di questo tipo è adatto anche ai sistemi di condizionamento dell’aria HVAC e ai condizionatori portatili.

Assistenza remota

Con questo tipo di regolazione è sempre possibile il servizio di assistenza da remoto. Il regolatore può essere dotato di un modulo LON e i dati più importanti vengono registrati su una unità master oppure è possibile accedere al sistema di regolazione tramite una connessione modem. Questo è possibile utilizzando un particolare software (Danfoss AKM). Tutto ciò rende possibile integrare, volendo, il sistema di iniezione elettronica in reti di controllo Danfoss anche molto complesse.