Valvole di espansione elettroniche

Premessa
Un circuito, o sistema, frigorifero è costituito essenzialmente da quattro componenti principali (Figura 1):

  1. Il compressore (W) – cuore del sistema – che provvede ad aspirare e aumentare di temperatura e pressione il refrigerante allo stato di vapore.
  2. Il condensatore (T1); scambiatore nel quale il refrigerante cede calore (Q1) all’aria o all’acqua di raffreddamento, riducendosi di temperatura fino a modificare il proprio stato, da vapore a liquido.
  3. La valvola di espansione termostatica o elettronica che rilascia sempre la giusta quantità di refrigerante liquido verso l’evaporatore, riducendone la pressione.
  4. L’evaporatore (T2); scambiatore nel quale l’aria o l’acqua, che devono essere raffreddate, cedono il loro calore (Q2) al refrigerante, surriscaldandolo e modificandone lo stato da liquido a vapore.
Schema funzionale macchina frigorifera

Immagine di Centro Studi Galileo

La valvola di espansione elettronica

La valvola di espansione è, quindi, uno dei quattro componenti principali dei circuiti frigoriferi.
Tutti i circuiti frigoriferi necessitano di un modo per controllare la quantità di refrigerante che può passare dal lato del sistema di alta pressione a quello di bassa pressione.
Il refrigerante passa attraverso la valvola di espansione allo stato liquido. Una volta che questo refrigerante supera la valvola di espansione, inizia a fluire attraverso l’evaporatore dove assorbe il calore dall’aria o dall’acqua di raffreddamento.
Questo processo fa evaporare il refrigerante, modificandone lo stato da liquido a vapore.
In funzione della richiesta di raffreddamento, la valvola di espansione agisce per controllare la giusta quantità di refrigerante necessaria.

Il controllo della quantità di refrigerante che scorre attraverso la valvola di espansione è più accurato utilizzando una valvola di espansione elettronica FP-ERV EVAJET® di FrigoPoint (Figura 2).
Essa è progettata per iniettare, con estrema precisione, il refrigerante negli evaporatori delle unità di refrigerazione e per chiudere la linea del liquido stessa con un’elettrovalvola.
La valvola è azionata elettricamente ed è controllata dal controller tramite un segnale PWM a servizio variabile. Possono essere utilizzati, come mezzo di lavoro, i refrigeranti HFC, CFC, HCFC.
Le singole capacità sono indicate con un numero che fa parte della designazione del tipo. Il numero rappresenta la dimensione dell’orifizio della valvola in questione. L’orifizio è sostituibile.
Questa precisione aumenta l’efficienza e le prestazioni energetiche del sistema impedendo che quantità inutili di refrigerante passino attraverso la valvola di espansione.

Valvole di espansione elettroniche
Figura 2 – Valvola di espansione elettronica FP-ERV EVAJET® di FrigoPoint

Il controller del ciclo frigorifero FP-MC-R23EM EVAJET® di FrigoPoint (Figura 3) è progettato per controllare il compressore, la ventola dell’evaporatore, lo sbrinamento e il sistema della valvola di espansione elettronica (ERV) mediante il segnale di 4 sensori analogici (3 sensori di temperatura e 1 sensore di temperatura / pressione e uno del “contatto pulito”.
Il controllore che effetua il monitoraggio del surriscaldamento del refrigerante evaporato, regola il flusso attraverso la valvola di espansione e mantiene un valore di surriscaldamento sufficientemente basso, tale da ottimizzare il coefficiente di prestazione (COP) del sistema.

Controllore del circuito frigorifero FP-MC-R23EM EVAJET®
Figura 3 – Controllore del circuito frigorifero FP-MC-R23EM EVAJET®

Il surriscaldamento del refrigerante

Mantenere il corretto livello di surriscaldamento significa ottenere  una quantità minima di refrigerante surriscaldato in uscita dall’evaporatore prima che entri nei compressori. Questa azione è determinante per la protezione del compressore e per un controllo accurato della domanda. I compressori non sono fatti per aspirare e comprimente il refrigerante allo stato liquido, quindi è importante che solo il refrigerante completamente evaporato sia aspirato nel compressore, evitando, così gravi danni meccanici.

Il controllore del surriscaldamento consente di regolare i parametri e impostare quale refrigerante viene utilizzato nel sistema. Ogni refrigerante ha caratteristiche diverse di valori di pressione, temperatura e surriscaldamento.

Utilizzando i due pulsanti sul controller del surriscaldamento con il display visivo è facile per i tecnici effettuare qualsiasi impostazione richiesta o visualizzare gli stati del sistema come il surriscaldamento, il valore del sensore di temperatura e la temperatura di evaporazione. Il display e le sue letture eviteranno al tecnico di dover recuperare indicatori di servizio e termometri per calcolare questi valori.

Il controllo del surriscaldamento è un metodo accurato per garantire la corretta quantità di refrigerante, non troppo, né troppo poco, ma una quantità efficiente dal punto di vista energetico per soddisfare la domanda.

Il surriscaldamento si verifica quando il refrigerante nell’evaporatore è completamente evaporato in un gas e quindi viene aggiunto ulteriore calore al gas. Il calore iniziale ha fatto sì che il refrigerante liquido si trasformasse in gas. Aggiungendo ulteriore calore dopo che il refrigerante si è completamente trasformato in vapore, la temperatura del refrigerante diventa surriscaldata.

Surriscaldamento = Temperatura del refrigerante in ingresso al compressore – punto di evaporazione / punto di saturazione del refrigerante.

Ad esempio, se il refrigerante evapora a 4°C nell’evaporatore, il punto in cui il liquido refrigerante si trasforma in vapore, l’aggiunta di più calore farà aumentare la temperatura del vapore, supponiamo a 9°C. Questo determinerebbe 5K di surriscaldamento.

Il controllo tipico si basa sul setpoint di surriscaldamento, ma è possibile utilizzare un sensore di temperatura aggiuntivo per misurare la temperatura dell’acqua o dell’aria di scarico. Questa temperatura dell’aria o dell’acqua può essere controllata direttamente, purché il surriscaldamento rimanga a un livello sufficiente per prevenire il ritorno di liquido al compressore.

Il compito della valvola di espansione è, quindi, quello di assicurarsi che nell’evaporatore venga iniettata la quantità ottimale di refrigerante, indipendentemente dal carico o dalla richiesta in qualsiasi momento. Questo viene fatto utilizzando un controller di surriscaldamento, un trasmettitore/trasduttore di pressione e un sensore di temperatura con la valvola di espansione elettronica per rilevare costantemente il surriscaldamento nell’evaporatore.

Sensori di pressione

I sensori di pressione FP-PT EVAJET® di FrigoPoint (Figura 4) sono progettati per essere montati sul lato pressione e sul lato aspirazione del circuito frigorifero, allo scopo di misurare la pressione relativa. La funzione principale dei sensori è quella di trasformare il campo di pressione di lavoro in un segnale di corrente unificato 4-20 mA.
I sensori di pressione sono elementi di automazione, controllo e regolazione del ciclo frigorifero; sono compatibili con tutti i tipi di refrigeranti, hanno un’elevata resistenza alle vibrazioni e agli urti. Il corpo del sensore è realizzato in acciaio inossidabile, resistente alla corrosione.

EVAJET® superheat controlling technology è il sistema completo di controllo – ideale per celle frigorifere – brevettato da FrigoPoint e distribuito da GERECO.

Sensore di pressione FP-PT EVAJET® di FrigoPoint
Figura 3 – Controllore del circuito frigorifero FP-MC-R23EM EVAJET®

Passaggi da eseguire quando si seleziona la valvola di espansione elettronica

  • Determinare il refrigerante da utilizzare.
  • Determinare la capacità richiesta per la valvola.
  • Determinare la caduta di pressione attraverso la valvola.
  • Determinare la temperatura del liquido del refrigerante che entra nella valvola.
  • Selezionare la valvola utilizzando il programma di selezione

Caratteristiche e vantaggi

  • Risparmio energetico.
  • Controllo accurato.
  • Controllo del surriscaldamento ottimizzato.
  • Evaporatore con carica ottimale.
  • Controllo preciso del surriscaldamento stabile minimo (MSS).
  • Carico parziale migliorato per sistemi a velocità variabile.
  • Funziona con tutti i comuni refrigeranti.
  • Algoritmo di surriscaldamento intelligente con funzioni di sicurezza
    * Protezione del compressore
    * Meno guasti al compressore
    * Operazione stabile
  • Facile da installare.
  • Il controller funziona con un’interfaccia Modbus o come stand-alone.
“Catalogo FP 2022 (IT)” di FrigoPoint cooling technologies
“EVAJET” Sistema di controllo del ciclo frigorifero FrigoPoint
“Analisi del funzionamento dell’impianto frigorifero”  Centro Sudi Galileo
“How Electronic Expansion Valves Work”  By MEP Academy Instructor January 29, 2022

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