La evolución de los controladores y los termostatos ha permitido que, desde hace un par de décadas, la cantidad de parámetros por controlar se haya incrementado, al tiempo que ha crecido su precisión, eficacia y velocidad de operación
Francisco Sandoval
Existen muchos procesos domésticos, comerciales e industriales donde se requiere temperatura controlada, término que se refiere a mantener la temperatura de un espacio, una máquina o un método dentro de un rango establecido. Dicho rango o intervalo de temperaturas debe contar con un punto de corte y otro punto de arranque. A la diferencia entre ellos se le llama diferencial, que es el intervalo de operación.
Si el proceso es de refrigeración, el punto de corte es frío a una temperatura mínima y el diferencial es positivo (+). Ahora bien, si por el contrario el proceso es de calefacción, el punto de corte es caliente, según la temperatura máxima del rango, y el diferencial es negativo (-).
La temperatura controlada tiene múltiples aplicaciones: confort humano, conservación, maduración y fermentación de perecederos, fabricación y congelación de alimentos, entre otros. Ejemplos de rangos de temperatura son los siguientes:
- Aire acondicionado: 18 a 22 °C
- Conservación de bebidas: 0 a 5 °C
- Congelación del helado -18 a -20 °C
Del rango del aire acondicionado puede tomarse de ejemplo que: Tmín = 18 °C, Tmáx = 22 °C y Diferencial = ΔT = Tmáx – Tmín = 22 -18 °C = 4 °C
Mantener el rango de temperatura a lo largo del tiempo requiere que el sistema realice ciclos de abierto / encendido al alcanzar cierta temperatura y de cerrado / apagado al alcanzar otra, sin variar el diferencial. Para mantener la temperatura controlada es necesario un termostato o control de temperatura.
Desde la aparición, en 1885, del primer dispositivo patentado para el control de temperatura, desarrollado por el inventor Albert Butz, hasta la actualidad, mucho han evolucionado los dispositivos y con ellos los materiales con los que se fabrican. Esto trajo consigo los termostatos, posteriormente, los controles electrónicos de temperatura y ahora los controladores de funciones. Los nombres varían de acuerdo con los parámetros que pueden conmutar y las actividades que son capaces de realizar, por lo que un controlador lleva a cabo diversas funciones encaminadas no únicamente a mantener el rango de temperatura.
Termostatos: clases y evolución
Un termostato es el componente de control simple on / off, que aprovecha las propiedades térmicas de los materiales, como son la dilatación por calentamiento y la contracción debida al enfriamiento.
La función del termostato es mantener la temperatura de un sistema dentro del rango establecido y para ello:
- Enciende o apaga un circuito eléctrico
- Abre o cierra una válvula de paso
Otra versión simple del termostato es la que emplea líquido y se puede encontrar en los motores de combustión interna, donde se controla el flujo del refrigerante que circula por el radiador, dependiendo de la temperatura del motor. A mayor temperatura del motor, mayor flujo de refrigerante para enfriamiento.
Por su operación, los termostatos pueden ser manuales o automáticos y, en ambos casos, estar normalmente abiertos o normalmente cerrados.
1. Manuales. Son los que requieren de la intervención del hombre para regresar a su estado inicial, como los termostatos de seguridad, que realizan su función al suspender toda la operación en caso de que la temperatura alcance niveles peligrosos
2. Automáticos. Regresan a su estado inicial sin necesidad de la intervención del hombre. Actúan de una forma totalmente automática, de ahí su aplicación actual, de forma general, en usos domésticos, comerciales e industriales
3. Normalmente abiertos. Mantienen el sistema apagado hasta alcanzar la temperatura máxima, que será, entonces, el punto de arranque o inicio de actividad. El sistema operará hasta alcanzar la temperatura mínima o punto de corte y se desconectará nuevamente
4. Normalmente cerrados. Mantienen el sistema encendido hasta alcanzar la temperatura máxima, que será, entonces, el punto de corte donde cesa la actividad. El sistema permanecerá inactivo hasta alcanzar la temperatura mínima o punto de arranque e iniciará la actividad
Es importante mencionar que las versiones del termostato simple utilizadas a mediados del siglo XIX consistían en elementos metálicos, ya sea láminas o barras, que al expandirse o encogerse tenían la energía mecánica suficiente para accionar el dispositivo de paso.
Por su parte, el termostato de Butz se encargaba de mantener constante la temperatura de un horno. Se trataba de una lámina metálica helicoidal que se dilataba o contraía con el calor del fuego, la cual tenía acoplado un sistema de poleas que controlaba la apertura de la puerta del horno. Cuando la temperatura caía hasta el mínimo establecido, abría la puerta para permitir la entrada de aire fresco que avivaba el fuego; cuando el fuego calentaba hasta alcanzar la temperatura máxima, el termostato cerraba la puerta para obstruir la entrada de aire y amortiguar el fuego.
En términos cronológicos, con el descubrimiento de la electricidad y su difusión, primero a las empresas y después a los hogares, a inicios del siglo XX, una de las primeras versiones de termostato de mercurio utilizaba las propiedades conductoras del metal líquido al interior de un termómetro para operar la fuente de energía dentro del rango de temperatura definido por la posición de los electrodos.
Con la invención del motor de combustión interna, cuya aplicación se generalizó primero en los procesos de fabricación de las industrias y luego se popularizó en los automóviles, surgió el termostato de líquido, empleado, generalmente, en válvulas de control de fluido. Éste podía contener parafina u otro líquido encapsulado que se expandía al aumentar la temperatura y generar la fuerza para empujar un disco que permite el paso del fluido, el cual, al enfriarse, permitía que un resorte regresara el disco a su posición inicial, cerrando el paso. Un ejemplo de este termostato es el empleado en el sistema de enfriamiento en los radiadores.
Por esa época surgió también el termostato bimetálico, que consiste en dos láminas de diferente metal unidas, cada metal con diferente coeficiente de dilatación. Cuando la temperatura se elevaba, las láminas cambiaban de forma debido al calor y actuaban sobre los contactos (platinos) de un circuito eléctrico.
Con el desarrollo de los refrigerantes halogenados (clorofluorocarbonos), poco después de 1930, surgió el termostato de gas a presión, que funciona con un gas encerrado herméticamente dentro de un tubo de cobre con un depósito (bulbo). Cuando la temperatura se incrementa el gas se expande dentro de un diafragma con una presión tal que acciona una válvula, para agilizar o bloquear el paso de un fluido o para accionar los platinos de un circuito eléctrico. Tanto la válvula como los platinos pueden ser regulados para accionar variando la presión del gas.
Aunque en la actualidad se utiliza y es reconocido por su durabilidad, no lo es por su precisión y exactitud, debido a que la presión atmosférica afecta el gas a presión, lo que implica que tenga que ajustarse a la altura sobre el nivel del mar de cada lugar.
Éste puede utilizarse para realizar dos funciones a la vez, pues en refrigeradores mantienen el rango de temperatura y realizan ciclos de deshielo por resistencia eléctrica con cada paro del compresor, para lo que requieren doble platino.
Ahora bien, con el surgimiento de los equipos de aire acondicionado surgieron los termostatos de pared, que son también de gas a presión, a los cuales, en dicha época, se les integró un reloj eléctrico. Se instalaban en casas u oficinas, sobre el muro cerca del equipo, y adornaron las paredes de más hogares de todo el mundo que cualquier otro termostato.
Controles electrónicos
Los avances tecnológicos, principalmente en la electrónica en la década de los 50, permitieron el uso de termopares para la medición de temperatura y la incorporación de un procesador para los controles electrónicos.
Un termopar, también llamado termocople, es un transductor formado por la unión de dos metales distintos que produce una muy pequeña diferencia de potencial que el procesador puede reconocer como temperatura y procesarla para conmutar los elementos dentro del circuito eléctrico. Su utilización permite al control electrónico realizar funciones adicionales dentro del sistema.
Los controles electrónicos son ampliamente utilizados por los fabricantes de equipos de refrigeración doméstica, comercial e industrial, debido a sus características de precisión, versatilidad y confiabilidad. Se reconoce que la mayor cantidad de fallas en los controles son debidas a la variación de voltaje.
Los controles electrónicos han sido cada vez más populares gracias a sus ventajas:
- Dispositivos libres de partes móviles y contactos que sufren deterioro
- Se puede configurar tanto una temperatura como un umbral o un tiempo mínimo entre activaciones
- Se pueden integrar fácilmente en un sistema con más funciones diferentes que únicamente mantener el rango de temperatura. Para cada función se hace la conmutación de los parámetros definidos en el dispositivo, por ejemplo, un reloj de tiempo real
Controladores de funciones
La década de 1980 vio surgir la revolución digital y con ella los controladores de funciones. Se dotó a los controles electrónicos con un controlador ID para hacer una gestión más inteligente y se sustituyeron los termopares con termistores.
Un termistor es un dispositivo que cambia su impedancia o resistividad dependiendo de la temperatura, lo que lo hace un dispositivo de gran precisión y confiabilidad. La impedancia del termistor es leída por un sistema de control, usualmente base del controlador, programado para realizar diferentes operaciones a determinadas temperaturas. Pueden ser tipo PTC o NTC:
- El termistor es de Coeficiente de Temperatura Positiva y por ello su mejor aplicación es para calefacción o en temperaturas mayores a 20 °C
- El Termistor es de Coeficiente de Temperatura Negativa y por ello su mejor aplicación es para refrigeración o en temperaturas menores a 20 grados centígrados
Se integraron en los controladores de funciones opciones diversas y controles digitales remotos, incluso inalámbricos, que controlan con mucho más precisión y flexibilidad, lo que permite una operación más eficiente que puede ahorrar en el costo de la energía por su bajo consumo. Por ello, se hace referencia a ellos como dispositivos que pueden aprender de los métodos de control y que son inteligentes. Éstos y otros atributos hacen que el dispositivo pueda ser totalmente interactivo con tecnología de pantalla táctil, que es inteligente y, sin lugar a dudas, ahorra energía.
Aplicaciones
Los termostatos, controles electrónicos y controladores de funciones tienen muchos usos y aplicaciones, entre las que destacan:
- Refrigeradores domésticos y comerciales
- Cámaras de refrigeración comerciales e industriales
- Equipos de aire acondicionado, ventilación y calefacción, ya sea residencial o de oficinas
- Equipos de transporte
- Procesos térmicos de manufactura y fabricación
- Elementos de protección, que evitan el daño de componentes debido a las temperaturas muy bajas o extremadamente altas
En la actualidad, existe en el mercado de refrigeración comercial una cantidad de proveedores de controladores de funciones que ofrecen sus productos y desarrollos a los clientes de esta gran industria.
Algunos proveedores ofrecen la personalización del controlador de funciones a los fabricantes de equipo original (OEM), pero la exigencia va más allá y ahora se requiere ofrecer ventajas a los embotelladores y sus corporativos, ya que enfocan sus desarrollos a ofrecer ventajas que se transforman en beneficios para las áreas de Servicio (refrigeración) y Ventas y Logística, a través de herramientas sofisticadas de comunicación, seguimiento y reporte.
Se ofrecen, entre otras características:
- Aplicaciones de teléfonos inteligentes, que permiten el fácil acceso visual de los niveles controlados
- Aplicaciones de PC y laptop, para procesar la información de los controladores
- Interconectividad casi en tiempo real, que permite fácilmente ver los registros de los parámetros del equipo
La evolución de la industria conlleva cambios continuos que en el futuro cercano habrán de permitir corroborar los beneficios de los productos actuales y las ventajas adicionales que ofrezcan los nuevos desarrollos.
[author ]Francisco Sandoval
Ingeniero mecánico electricista por la Universidad Nacional Autónoma de México. Ha trabajado en distintas empresas dedicadas a la industria de la refrigeración, tanto en el desarrollo de productos como de negocios. Actualmente, es ejecutivo de Ventas para la empresa Wellington Drive Technologies.[/author]
