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I TERMOSTATI COME DISPOSITIVI DI REGOLAZIONE E SICUREZZA:
COME SCEGLIERLI E INSTALLARLI

I TERMOSTATI CROSS-AMBIENT

(Art. 131)

PARTE IV

Pierfrancesco Fantoni

Introduzione

I termostati a carica liquida presentano l’inconveniente di soffrire particolarmente le elevate temperature. Per ovviare a tale fatto è possibile ricorrere all’impiego di una tipologia di termostati particolare, a limitata carica di liquido. Essi presentano la caratteristica di essere soggetti a limitate pressioni all’interno del treno termostatico, e quindi di non correre il rischio di andare incontro a deformazioni del soffietto che possano inficiarne il loro buon funzionamento.

Carica di vapore

Uno degli svantaggi della carica liquida risiede nel fatto che quando il bulbo è sottoposto a temperature elevate la continua e progressiva evaporazione del liquido in esso contenuto porta alla formazione di pressioni interne molto alte che vanno ad agire sul soffietto in maniera deleteria. Tale situazione può verificarsi, ad esempio, quando un termostato progettato per funzionare in refrigerazione a basse temperature non risulta essere installato oppure quando l’impianto in cui è installato non risulta funzionare e si trova quindi a temperatura ambiente. In tale caso è possibile che le temperature a cui è sottoposto il bulbo (25-30 °C) creino delle sovrapressioni indesiderate sul soffietto del termostato, causandone il suo malfunzionamento.

Per evitare tale inconveniente è possibile caricare il bulbo con una quantità ridotta di liquido. Il principio di funzionamento di tale sistema rimane identico a quello  precedentemente illustrato, ossia legato alla relazione tra pressione e temperatura del liquido saturo, in presenza del suo vapore. Tuttavia la carica limitata, in questo caso, fa sì che quando si superano determinate temperature il liquido contenuto nel bulbo evapori completamente, lasciando il sistema costituito dal bulbo e dal capillare riempiti di solo vapore. In tale situazione la relazione tra pressione e temperatura si modifica, non essendo più in condizioni di saturazione. Essendo presente solo vapore, contenuto in un volume sostanzialmente costante (quello dato dall’insieme capillare+bulbo), la legge ora valida è quella di Gay-Lussac, che lega in maniera proporzionale temperatura e pressione. La relazione esistente tra le due grandezze fisiche è tale che in seguito a grandi aumenti della temperatura si registrano piccole variazioni di pressioni, ossia ridotta capacità di poter deformare il soffietto del termostato. Questo implica sollecitazioni inferiori sul soffietto stesso, con minor possibilità di provocare deformazioni permanenti su di esso.

Caratteristiche di funzionamento

In figura 1 viene riportato il diagramma pressione-temperatura relativo al fluido che costituisce la carica del sistema bulbo+capillare di un termostato a carica di vapore. Il diagramma risulta essere diviso in due sezioni: la prima relativa alla presenza di liquido e di vapore (liquido saturo), la seconda relativa alla sola presenza di vapore. Infatti, oltre una certa temperatura, la carica del termostato risulta essere tutta evaporata dato che il liquido presente all’interno del treno termostatico risulta essere, volutamente, in quantità limitata.

La curva mostra che ad ogni incremento (o decremento) di temperatura corrisponde un analogo incremento (o decremento) della pressione, fatto che ha come conseguenza un aumento (o diminuzione) della forza agente sul soffietto del termostato. Proprio dalle dilatazioni (o contrazioni) del soffietto è possibile ottenere lo spostamento dei contatti elettrici.

Quando si lavora sulla parte di sinistra della curva (basse temperature) si può notare che per un certo incremento ∆T della temperatura si ottiene un corrispondente incremento ∆p₁ della pressione. Anche a temperature superiori si ottiene lo stesso risultato all’aumentare della temperatura. Tuttavia, poiché la curva non risulta lineare ed aumenta la sua inclinazione al crescere della temperatura, al medesimo incremento di temperatura si registra una variazione di pressione ∆p₂ molto maggiore, ossia una corrispondente dilatazione del soffietto di entità molto più elevata. Tale andamento si registra fino a quando si rimane all’interno della zona caratterizzata dalla presenza contemporanea sia di liquido che di vapore.

Nei termostati a carica liquida il campo di funzionamento è caratterizzato dalla presenza della miscela liquido+vapore a tutte le temperature, anche a quelle ambiente. Come si vede nella figura 2 quando il termostato si trova a temperature molto elevate per ogni incremento della temperatura si hanno aumenti di pressione molto alti che portano, come abbiamo già detto, a sollecitazioni sul soffietto veramente molto elevate.

Al contrario, nei termostati a carica di vapore, alle alte temperature all’interno del sistema bulbo+soffietto si ha la presenza di solo vapore per cui, come si evince anche dal diagramma di figura 1, le variazioni di pressione che si registrano (∆p₃) risultano essere di modesta entità. Con tale soluzione le pressioni che possono agire sul soffietto del termostato risultano essere limitate da un valore massimo p_max che garantisce che il soffietto non subisca, nel tempo, deformazioni permanenti che ne altererebbero la sua corretta funzionalità.

Attacco-stacco del termostato: il differenziale

L’andamento non lineare della curva caratteristica temperatura-pressione ha un’altra importante conseguenza sulle caratteristiche di funzionamento del termostato.

Alle basse temperature di funzionamento per ottenere grandi variazioni di pressione è indispensabile avere grandi variazioni di temperatura. L’attacco/stacco del termostato dipende proprio dalle dilatazioni/contrazioni che subisce il soffietto che a loro volta dipendono dalle variazioni di pressione che subisce il fluido all’interno del treno termostatico. Così, alle basse temperature per ottenere l’attacco/stacco del termostato si devono avere ampie variazioni di temperatura, dato che le variazioni di pressione sono rilevanti solo quando anche le variazioni di temperatura lo sono. Questo si traduce in ampi valori del differenziale di temperatura, ossia in grandi differenze tra la temperatura di attacco e di stacco del termostato.

Viceversa alle alte temperature anche a minime variazioni di temperatura si registrano grandi variazioni della pressione, fatto questo che comporta elevate variazioni del volume del soffietto e quindi la possibilità di modificare lo stato dei contatti elettrici del termostato.

Da queste considerazioni si evince che il differenziale del termostato non risulta essere costante in tutto il campo di lavoro: alle basse temperature normalmente esso ha un valore più elevato di quello che è possibile avere alle alte temperature di lavoro.

In tabella 1 sono riportate, a titolo d’esempio, le caratteristiche di alcuni termostati in commercio con campi di lavoro differenti. Come si può notare il differenziale di temperatura (che può essere impostato in maniera variabile a seconda delle esigenze di funzionamento dell’impianto frigorifero) non risulta essere costante. Ad esempio, per il termostato A (funzionamento tra -30 e +15 °C) quando impostato sul massimo freddo ha un differenziale di temperatura che può essere tra 5,5 e 23 °C, a seconda di come viene impostato. Quando però viene impostato sul massimo caldo il range di regolazione del differenziale si riduce notevolmente, potendo esso essere tra 1,5 e massimo 7 °C, cioè ben al di sotto dei valori che si possono avere quando  il termostato è regolato sul massimo freddo. Analogamente per le altre tipologie riportate in tabella.