Utilice relés a prueba de explosiones en los sistemas de climatización que utilicen refrigerantes inflamables

La preocupación por el agotamiento de la capa de ozono y las emisiones de gases de efecto invernadero ha dado lugar a un mayor uso de refrigerantes inflamables o ligeramente inflamables. Este cambio supone un reto para los diseñadores de sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) —entre los que se incluyen los aparatos de aire acondicionado, los equipos de refrigeración y las bombas de calor— a la hora de eliminar las fuentes de ignición; una de las más evidentes es la formación de arcos eléctricos en los relés.

En este artículo se exponen brevemente los motivos que han llevado a la transición hacia refrigerantes inflamables o ligeramente inflamables, así como los retos que ello plantea. A continuación, presenta los relés "a prueba de explosiones" de Omron Electronics y muestra cómo contribuyen a la seguridad en el uso de refrigerantes inflamables.

Cuestiones y tendencias medioambientales a nivel internacional

Las normativas medioambientales destinadas a combatir el agotamiento de la capa de ozono y las emisiones de gases de efecto invernadero están llevando a los fabricantes de sistemas de refrigeración a replantearse el uso de refrigerantes con un elevado potencial de calentamiento global (GWP) y potencial de agotamiento del ozono (ODP), entre los que se incluyen los clorofluorocarbonos (CFC) y los hidroclorofluorocarbonos (HCFC) (Figura 1).

Figura 1: Existe una tendencia mundial a restringir el uso de refrigerantes que se consideran de alto potencial de calentamiento global (GWP) y de alto potencial de agotamiento de la capa de ozono (ODP), y a sustituirlos por alternativas. (Fuente de la imagen: Omron Electronics)

El GWP es un parámetro adimensional que cuantifica la cantidad de calor que un gas retiene en la atmósfera durante un período determinado, en relación con el dióxido de carbono. El GWP del dióxido de carbono es 1. El GWP de otros gases depende de sus características, entre las que se incluyen su capacidad de absorción de calor, su vida útil en la atmósfera y el periodo de tiempo considerado.

El ODP es una medida de los efectos destructivos sobre la capa de ozono en relación con una sustancia de referencia. El triclorofluorometano (conocido comercialmente como R-11 o CFC-11) tiene un ODP fijo de 1.0. Los valores más bajos del ODP indican un menor agotamiento del ozono; los valores más altos indican un mayor daño al ozono.

Los diseños anteriores de los sistemas de refrigeración se centraban en la capacidad de refrigeración del refrigerante, pero la tendencia actual se orienta hacia el uso de refrigerantes con un menor impacto atmosférico, a pesar de que estos refrigerantes son inflamables (Figura 2).

Figura 2: En la figura se muestran los refrigerantes más comunes junto con sus índices de potencial de calentamiento global (GWP) y de inflamabilidad. (Fuente de la imagen: Omron Electronics)

Los refrigerantes que aparecen dentro del recuadro con línea discontinua son ejemplos de refrigerantes con buenas características medioambientales, pero con una inflamabilidad mayor que la de los refrigerantes tradicionales.

Una clasificación de inflamabilidad A1 indica que el refrigerante no es inflamable. Los refrigerantes clasificados como A2L son ligeramente inflamables. Por el contrario, una clasificación A3 indica que el refrigerante es altamente inflamable. Un ejemplo de refrigerante altamente inflamable que figura en esta tabla es el R290 (propano).

Existe una relación general entre un GWP más bajo y unos índices de inflamabilidad más elevados: un GWP más bajo suele corresponder a un índice de inflamabilidad más elevado (Figura 3). Entre los refrigerantes con un alto potencial de calentamiento global (GWP) se encuentran los CFC y los HCFC.

Figura 3: Los refrigerantes con un bajo potencial de calentamiento global (GWP) suelen ser más inflamables. (Fuente de la imagen: Omron Electronics)

Los refrigerantes inflamables requieren que se tengan en cuenta aspectos especiales de diseño en los equipos electrónicos

El uso de refrigerantes inflamables impone ciertas limitaciones a los circuitos electrónicos utilizados en los sistemas de refrigeración. El sistema debe reducir el riesgo de incendio o explosión mediante la eliminación de las fuentes de ignición. Una fuente habitual de ignición es la formación de arcos eléctricos en los relés (figura 4).

Figura 4: La ignición de gases inflamables requiere tres elementos: una fuente de ignición (como el arco eléctrico que se produce al conmutar un relé), combustible (como un gas combustible) y aire (oxígeno). (Fuente de la imagen: Omron Electronics)

Se produce un arco eléctrico en un relé cuando los contactos de este se abren o se cierran, y la intensidad de la chispa resultante varía en función de la corriente que se conmuta. La formación de arcos eléctricos es más habitual en los relés que conmutan cargas reactivas, como motores o bancos de capacitores.

El diseño de los relés a prueba de explosiones, con carcasas que evitan que los arcos eléctricos de los contactos del relé provoquen la ignición de los gases inflamables del entorno, los convierte en componentes esenciales en los sistemas de refrigeración que utilizan refrigerantes inflamables. El uso de relés a prueba de explosiones reduce el riesgo de formación de arcos eléctricos, lo que ofrece una solución fiable y segura para el funcionamiento de los componentes electrónicos cerca de gases refrigerantes con bajo potencial de calentamiento global (GWP).

Las normas internacionales, como la IEC/EN 60079-1 y la IEC/EN 60079-15, especifican los ensayos a los que deben someterse los relés destinados a entornos explosivos o inflamables.

Los relés a prueba de explosiones se certifican de dos formas distintas. Los relés con una intensidad nominal máxima de 16 amperios (A) o menos, sellados para protegerlos del flujo, se someten a ensayos en un entorno con gas inflamable. Los contactos deben abrirse y cerrarse 10 veces sin que se produzca una explosión. Esta prueba garantiza que la carcasa del relé esté diseñada para soportar la presión generada por una explosión interna, impedir su propagación al exterior y evitar la ignición del entorno circundante. Para ello, es necesario que las carcasas estén fabricadas con materiales que ofrezcan una elevada resistencia mecánica y estabilidad a largo plazo en condiciones de funcionamiento extremas. Esta prueba no elimina el riesgo de ignición en el interior del equipo, sino que lo controla y lo contiene.

En el caso de los relés que conmutan más de 16 A, la carcasa debe estar totalmente sellada para obtener la certificación de protección contra explosiones. El diseño mecánico del relé debe cumplir con la especificación de la IEC y someterse a una prueba de estanqueidad. Esta característica del relé impide que el gas inflamable llegue a la fuente de ignición.

Los relés sin sellar protegen contra el fundente de soldadura y el polvo, pero no son herméticos. No se pueden lavar ni recubrir. Estos relés ofrecen una mayor vida útil, ya que permiten que se escape el aire caliente, lo que los mantiene más fríos que los relés sellados. En general, la vida útil de un relé disminuye a medida que aumentan la corriente y la tensión de la carga conmutada.

Los relés sellados, además de impedir la entrada de gases, también evitan la entrada de disolventes de limpieza y pueden lavarse o recubrirse.

Relés de potencia de Omron para su uso con refrigerantes inflamables

Consciente de la tendencia hacia el uso de refrigerantes inflamables, Omron ha presentado una amplia gama de relés a prueba de explosiones de un polo y un tiro (SPST), normalmente abiertos (NO), que cumplen con las normas IEC/EN 60079-1 y 60079-15 (Figura 5). Estos relés de montaje en orificio pasante están diseñados para corrientes de entre 3 y 36 A a tensiones de conmutación de hasta 480 voltios de corriente alterna (VCA).

Figura 5: En la imagen se muestran relés a prueba de explosiones diseñados para soportar un rango de corrientes de entre 3 y 36 A a tensiones de conmutación de hasta 480 VCA. (Fuente de la imagen: Omron Electronics)

Por ejemplo, el G5NB-1A4 DC12 es un relé de uso general totalmente sellado que cumple con la norma IEC/EN 60079-15. Está diseñado para conmutar una corriente máxima de 3 A, con una tensión de conmutación máxima de 250 voltios CA o 30 voltios CC (VCC). La tensión de la bobina de accionamiento es de 12 voltios a 16.7 miliamperios (mA). El cuerpo del relé mide 15.3 × 20.4 × 7.2 milímetros (mm) y está diseñado para funcionar en un rango de temperaturas de entre -40 y 85 °C. La vida útil del relé está estimada en 5,000,000 de operaciones mecánicas y 200,000 operaciones a plena carga de 3 A a 125 VCA o 30 VCC.

El relé de perfil bajo G2RL-1A DC24 también está diseñado para aplicaciones de uso general, con una intensidad nominal máxima de 12 A y una tensión de conmutación máxima de 440 VCA o 300 VCC. La tensión de accionamiento de su bobina es de 24 voltios a 16.7 mA. El relé está sellado únicamente para protegerlo contra el flujo, pero cumple los requisitos de la norma IEC/EN 60079 debido a que su intensidad nominal máxima es inferior a 16 A, siempre que se someta a las pruebas pertinentes. El cuerpo del relé mide 15.7 × 29 mm × 12.7 mm, y su rango de temperatura de funcionamiento es de -40 a 85 °C. Este relé tiene una vida útil mecánica de 20,000,000 de operaciones. La vida útil bajo carga es de 50,000 operaciones a 250 VCA y 12 A, y de 30,000 operaciones a 24 VCC y 12 A.

El G5Q-1A4 DC12 es un relé de potencia en miniatura de 12 A con unas dimensiones de 15.8 × 20.3 × 10.3 mm. Se trata de un relé sellado que cumple con la norma IEC/EN 60079-15 y que puede conmutar 277 VCA o 30 VCC. La tensión de la bobina es de 12 VCC a 16.7 mA, y está diseñada para funcionar en un rango de temperaturas de entre -40 y 105 °C. La vida útil mecánica nominal es de 10,000,000 de operaciones. Con una carga resistiva de 10 A y 125 VCA, la vida útil nominal es de 200,000 operaciones. Para una carga de 5 A y 30 VCC, la vida útil nominal es de 200,000 operaciones.

Para corrientes más elevadas, el modelo G5PZ-1A4-E DC18 tiene una capacidad nominal de 20 A y una tensión máxima de conmutación de 250 VCA. Se trata de un relé sellado compatible con la norma IEC/EM 60079-15. Funciona con una bobina de 18 V CC a 29.4 mA, mide 25 × 24 × 10.5 mm y tiene un rango de temperaturas de funcionamiento de entre -40 y 70 °C. La vida útil mecánica es de 2,000,000 de operaciones con una carga de 250 VCA y 20 A; la vida útil nominal es de 20 000 operaciones.

El modelo G6QE-1A4 DC12 presenta una intensidad nominal máxima de 36 A y una tensión de conmutación máxima de 480 VCA. La bobina está diseñada para funcionar a 12 VCC y 117 mA. Cumple con los requisitos de la norma IEC/EN 60079-15. Mide 20.5 × 30.5 × 16 mm y está diseñado para funcionar en un rango de temperaturas de entre -40 y 85 °C, con una tensión de mantenimiento de entre 35 y 80% como máximo. Su vida útil mecánica es de 1,000,000 de operaciones. Para una carga resistiva de 250 VCA y 20 A, la vida útil es de 1,000 operaciones.

Conclusión

Los relés a prueba de explosiones se han convertido en un componente clave para garantizar el funcionamiento seguro de los sistemas de refrigeración que utilizan refrigerantes inflamables. Omron ofrece varias gamas de relés a prueba de explosiones, tanto sellados como no sellados, con diferentes capacidades de conducción de corriente, diseñados específicamente para sistemas de refrigeración que utilizan refrigerantes inflamables con el fin de minimizar el riesgo de explosión o incendio.