ES2677269A1 - Sistema de transmisión térmica bifásica - Google Patents

Abstract

Sistema de transmisión térmica basado en fluidos caloportadores en estado gaseoso y líquido (bifásico) que aprovecha las cualidades termodinámicas de los mismos, con mayor eficiencia y eficacia sobre los actuales sistemas de transporte térmico. El sistema básico se compone de un circuito hermético formado por receptor de calor (1) que calienta el fluido, un emisor (2) que recibe el calor del fluido como vapor mediante la tubería de ida (4), condensándose y retornando a través de la tubería de retorno (5) de nuevo al receptor de calor (1) como líquido. Siendo adaptable a los actuales sistemas de energía termo-solar u otras fuentes de calor, para su uso en climatización, agua caliente sanitaria u otros entornos donde una eficiente y eficaz transferencia térmica sea requerida tanto en viviendas, máquinas y entornos industriales.

Description

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DESCRIPCION

SISTEMA DE TRANSMISION TERMICA BIFASICA SECTOR DE LA TECNICA

Este invento se encuadra dentro de los sistemas de transmision termica mediante fluidos caloportantes distanciados a traves de una red de conductos, para su aprovechamiento que comprende industrias tales como la termo-solar, refrigeracion y/o calentamiento de motores y/o elementos que precisen de transmision termica mas alla de la transmision local asi como climatizacion, calefaccion, generation de agua caliente y/o vapor de agua.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

El fuerte crecimiento y demanda de energia de las ultimas decadas unida a la limitation de los recursos, su continuo encarecimiento y a su vez la incorporation de relativamente nuevos conceptos como huella ecologica y el efecto invernado, vienen desarrollando los sistemas de transmision termica cada vez en un paso mas alla en la frontera de la eficiencia, eficacia y sostenibilidad energetica.

Se han registrado grandes cambios en materia de mejora de los aislantes, materiales, fluidos, accesorios y diseno, si bien se han registrado pocos cambios en los sistemas de transferencia termica, que tienen origen principalmente en dos conceptos. Por un lado las entidades de certification y la legislation aplicable en las instalaciones termicas comprenden un ambito muy concreto de funcionamiento en las mismas, en ellas sus sistemas de transmision. Por otro, los desarrolladores del producto de instalacion termica invierten en la evolution de sus productos conforme a la legislacion aplicable, quedando por tanto el sistema de transferencia y su evolucion en un segundo plano inalterable, si bien, toda una nueva gama de productos pueden desarrollarse a partir de un desarrollo del mismo.

Los sistemas de transmision termica actuales estan divididos principalmente en dos grupos, aquellos que su ciclo de intercambio termico se desarrolla con un fluido caloportador en un solo estado (monofasicos), generalmente como liquidos y aquellos en

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los que su fluido caloportador se presenta en dos estados (bifasico) generalmente como liquido-vapor.

Los sistemas bifasicos, basicamente lo componen actualmente dos sistemas, aquellos basados generalmente en calderas o intercambiadores de evaporacion continua de agua desmineralizada y aquellos que comprimen-descomprimen un vapor-liquido mediante un motor (compresor). Los primeros como se expone anteriormente, disponen de calderas o intercambiadores de evaporacion continua de agua desmineralizada a 100°C unida a un sobrecalentador del vapor cuya temperatura final se adapta a las necesidades, con presiones siempre superiores a la atmosferica, transfiriendose por alta presion y temperatura el vapor/gas a los puntos de uso-intercambio y posteriormente desechada al ambiente o es retornada al punto de generacion, en un ciclo semi-cerrado o abierto dependiendo de la instalacion, transfiriendose energia calorifica y mecanica en algunos casos en todo el proceso. En estos sistemas radica la desventaja de estar obligado a mantener temperaturas altas, superiores a 120°C para evitar la saturacion en el circuito, aunque no exista demanda o esta sea baja, siendo muy ineficientes en este estado debido a que las diversas perdidas tienden a mantenerse lineales por hora de funcionamiento del sistema. El segundo grupo, aquellos que comprimen-descomprimen un vapor, usan generalmente fluidos caloportantes denominados como fluidos refrigerantes, gaseosos a temperatura y presion ambientes, en un circuito hermetico cerrado, donde, bajo la accion mecanica de un elemento compresor son comprimidos y licuados, cediendo calor al sistema de referencia 1, y posteriormente conducidos y expandidos de nuevo absorbiendo calor del sistema de referencia 2, su rango de temperaturas primarias de intercambio estan limitadas a rangos aproximados de -40°C a 60°C, consumen gran energia durante el proceso debido al gran trabajo mecanico del compresor, tienen ademas perdidas termicas por rozamiento en el mismo y las debidas a la conversion de la energia electrica en mecanica por su motor.

El otro grupo, el mas comun y mas usado con diferencia son aquellos sistemas que trabajan con un fluido caloportador o mezcla de fluidos en estado liquido y presiones superiores a la atmosferica. De forma generalizada se basan en la circulation semi- cerrrada de agua desmineralizada aditivada, que siendo enfriada o calentada a temperaturas mmimas y maximas entre 3°C y 90°C en un dispositivo enfriador o caldera respectivamente, se hace circular, cediendo por tanto energia calorifica a todos aquellos puntos de uso-intercambio. Este sistema presenta las desventajas de precisar elementos de aceleracion permanente del fluido para que fluya a los puntos de uso, tales como

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bombas circuladoras, y dado que la viscosidad cinematica del agua Kquida es relativamente alta, se producen grandes perdidas en la circulation forzada del fluido asociada al trabajo mecanico de la bomba circuladora, ademas de un gran dimensionamiento de las conducciones en relation a ese mismo fenomeno, si bien ademas precisa en la instalacion de elementos que permitan la expansion de caracter incompresible de los liquidos conforme a las variaciones de temperatura del mismo. Tambien se utilizan en algunos casos la gravedad y los cambios de densidad del liquido acorde a su temperatura (efecto termosifon), si bien no precisan de un elemento mecanico acelerador del fluido, la viscosidad cinematica del liquido unida a la pequena variation de la densidad del mismo por cada grado de temperatura, hace de este sistema una mala alternativa cuando eficacia y eficiencia sean requisitos a tener en cuenta, ya que exigen altos gradientes de temperatura emisor-receptor y por tanto, altas perdidas termicas en el emisor.

Como puede observarse un sistema de transmision termica monofase (liquida) si bien conceptualmente su funcionamiento teorico es sencillo, no es asi su instalacion y servicio continuado ya que precisa de diversos elementos que disminuyen su eficiencia, eficacia, fiabilidad, durabilidad y seguridad intrinseca.

Por lo tanto, es objeto de la presente invention desarrollar un sistema de transmision termico que supere los inconvenientes apuntados, desarrollando un sistema como el que a continuation se describe y queda recogido en su esencialidad en la revindication primera.

EXPLICACION DE LA INVENCION

Expuesto lo anterior y teniendo en cuenta entre otras las dificultades presentadas en la tecnica actual, la invencion constituye un sistema de transmision termico bifasico con caracteristicas mejoradas a las anteriores, basandose en la tecnica de aprovechamiento termico de la tendencia al equilibrio termodinamico de los fluidos y su presion de vapor.

Considerando en primer punto, que todo liquido/vapor absorbe/cede una gran cantidad de energia en forma de calor en base a un cambio de estado liquido a vapor o vapor a liquido, en proceso que se cuantifica con el concepto fisico de calor latente de un fluido en base a su entalpia de cambio de estado , y que ademas este diseno aprovecha no solo la energia en forma de calor en base a su cambio de estado de su fluido sino

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tambien su calor especifico en ambos estados. Siendo por tanto un sistema hibrido de los anteriores que posee caracteristicas aventajadas entre ambos sistemas de transferencia termica gaseosa-vapor y liquido a la vez.

Considerando que cualquier liquido es susceptible de ser evaporado en el vado absoluto desde el conocido como punto triple, que existen infinitos grupos moleculares tanto puros como en mezcla que son liquidos estables y seguros con capacidades calorificas, sirviendo como ejemplo, el agua liquida, que pese a que parezca llamativo, posee una temperatura de ebullicion en el vado de 1°C. Por otra parte, los fluidos en estado liquido confinados en un volumen constante, pueden mantener su estado liquido a temperaturas muy altas ya que su propio vapor equilibra la presion a un punto estable o lo que se conoce como equilibrio termodinamico de presion de vapor, si bien este efecto tiene un limite en un punto conocido como el punto critico, donde el vapor-liquido no pueden coexistir como elementos claramente diferenciados, en caso del agua este punto esta a partir de 22 Mpa. de presion y 374°C. Por lo tanto, se puede utilizar el agua pura, como ejemplo en este sistema de transferencia termica bifasica con un rango de temperaturas operacionales de 1 - 374°C.

Unidos en conjunto estos conceptos, y considerando un unico volumen constante igual la suma de varios volumenes distanciados en el espacio, pero conectados entre ellos por medio de tuberias, se describe lo que a continuacion compone la innovacion inventiva con aplicacion industrial como sistema de transferencia termica.

Componentes basicos del sistema:

- Un fluido caloportador con capacidad de existir en el rango de temperaturas y presiones de servicio en dos estados (liquido y vapor).

- Un emisor de calor con capacidad de transferencia termica al fluido (vapor) ( radiador, intercambiador, serpentm, fan-coil, split, etc).

- Un receptor de calor con capacidad de transferencia termica a un fluido (liquido) dentro de un sistema cerrado (captador solar, caldera, resistencia electrica encapsulada, motor, dispositivo a refrigerar).

- Tuberias de interconexion de ida y retorno.

- Valvula de carga/servicio.

- La aceleracion del fluido en estado liquido en direccion hacia el receptor por la accion gravitatoria u otro dispositivo que la sustituya.

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La explication funcional de la invention parte por considerar unidos los elementos fisicos que constituyen el volumen total de la instalacion de transmision termica, tal y como se expone en las figuras y segun lo reivindicado, por tanto el receptor, emisor, tuberia de ida, tuberia de retorno y valvula de carga en position cerrada, forman un unico volumen cerrado y hermetico. Unidos estos, habria que entender el fluido caloportante como un fluido que pueda existir dentro del rango de operation, como fluido en estado liquido y vapor (bifasico), por tanto, libre de ocupar la totalidad del volumen de la instalacion en su forma liquida y gaseosa, lo que en la practica se consigue haciendo el vacio al sistema y su posterior integration mediante la valvula de carga/servicio, o bien integrando el fluido previamente, y llevarlo a una temperatura en la que su presion de vapor sea superior a la atmosferica y purgar el aire contenido por accesorios anadidos a tal efecto, como purgadores.

Una vez la instalacion reune los elementos basicos segun lo reivindicado de tal manera, que se calcule que la capacidad volumetrica del receptor de calor sea ocupada del fluido en estado liquido y con libre salida de vapor, por tanto dejando el resto de la instalacion ocupada por el vapor del fluido, este tendera por si solo constantemente a equilibrar su estado termodinamico de presion y temperatura, en adelante P-T, siempre y cuando en el receptor se cumpla T>P con respecto a su curva caracteristica de saturation P-T de equilibrio termodinamico, considerando como fluido caloportante el fluido puro, o aquellas mezclas azeotropicas y zeotropicas.

Teniendo en cuenta lo anterior y a partir del mismo, el circuito obedece a tres diferentes posibilidades de funcionamiento:

- Funcionamiento 1, temperatura del receptor de calor igual a la del emisor de calor:

El fluido en el receptor se encuentra a la misma temperatura que el emisor, siendo en ambos coincidente a la presion de vapor de equilibrio para una temperatura dada, no existe intercambio termico y el sistema permanece en equilibrio termodinamico con su propio vapor.

- Funcionamiento 2, el receptor de calor se encuentra a mayor temperatura que el emisor de calor:

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En este caso, el fluido contenido en receptor recibe energia en forma de calor aumentando su temperatura y presion conforme a su diagrama P-T caracteristico, pero debido a que el vapor es libre de circular hacia el emisor de calor con menor presion y temperatura, cumpliendose el desequilibrio termodinamico en el receptor T>P, esta desviacion termodinamica del fluido en el receptor es compensada mediante la evaporation del fluido, cuyas moleculas con mas energia se vaporizan y se trasladan como vapor saturado o vapor sobrecalentado por diferencia de presiones a traves de las tuberias de ida al emisor/es, transportando energia calorifica igual a la entalpia de vaporization caracteristica del fluido mas el calor especifico del vapor sobrecalentado.

Una vez el vapor ha llegado al emisor, sucede el fenomeno termodinamico inverso al receptor (T<P de equilibrio termodinamico), las moleculas de vapor en contacto con la superficie del emisor ceden energia calorifica, se condensan, disminuye por tanto su volumen y se crea una depresion que es compensada con la llegada de mas vapor desde el receptor (dclicamente), por tanto en el emisor se entrega energia calorifica en base a su entalpia de condensation, calor especifico fase vapor y calor especifico en fase liquida.

Al licuarse, existir un aporte de vapor desde el receptor, una gran diferencia de densidades vapor-liquido, y una diferencia de altura entre ambos, el diseno del circuito unida a la action de la gravedad ( u otro dispositivo que la sustituya) , el fluido retorna al receptor donde el ciclo se repite hasta que alcance el estado de equilibrio termodinamico P-T o la temperatura del receptor se cumpla T<P de equilibrio.

- Funcionamiento 3, el receptor de calor se encuentra a menor temperatura que el emisor de calor:

En este caso, considerando que en el emisor se cumple el desequilibrio termodinamico T>P, el fenomeno inverso no se produce debido a que no existen moleculas del fluido en estado liquido que vaporizar y desempenar el ciclo, existe una diferencia de densidades en la fase vapor emisor-receptor, pero la circulation en base a esa diferencia esta bloqueada por la misma densidad del liquido en su tuberia de retorno que no permite que el vapor fluya hacia el receptor, por lo que el intercambio termico inverso emisor a receptor es nulo.

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Gracias a las caracteristicas descritas se consigue un sistema de transmision termico que

innova ampliamente la actual tecnica, poseyendo una ampliada aplicabilidad industrial

con las siguientes caracteristicas que entre otras comprende:

- Esta exento en su forma basica de partes moviles rotativas permanentes y/o bombas de circulation, por lo tanto, posee mayor fiabilidad y eficiencia que los sistemas en fase liquida con tales elementos.

- Muy bajo mantenimiento, sin perdidas o reposition de fluido, menos accesorios a mantener.

- Adaptabilidad a ciertas instalaciones que previamente estaban disenadas para funcionar con sistemas de transmision termica en estado liquido.

- Altas tasas de transferencia termica debidas a la baja viscosidad cinematica del vapor caloportante, bajos gradientes termicos entre emisor-receptor incluso en largas distancias >25m.

- Amplios rangos de temperatura y presion de funcionamiento asi como aplicabilidad para infinidad de fluidos caloportantes puros y mezclas (Agua, metanol, butano, hexano, etilenglicol...) No precisa de dispositivos de expansion adicionales, pues el vapor contenido es un fluido compresible ante la expansion liquida.

- Hermetico.

- Capacidad de funcionamiento a presiones tanto superiores como inferiores a la atmosferica.

- Los diametros de las tuberias de transferencia necesarios son de inferior tamano comparando una misma capacidad de transporte termico de los sistemas tradicionales de fase liquida debida a la baja viscosidad cinematica del vapor caloportador de este sistema.

- Presentan una eficiencia y eficacia superior en la transmision termica por kg de fluido transmitido comparado a sistemas circulados forzados asi como por convection termica (termosifon)

- Irreversibilidad del transporte termico entre emisor de calor a receptor sin necesidad de accesorios.

- Aplicabilidad tanto para emisores, como receptores de calor multiples instalados en paralelo y serie.

- Mayor homogeneidad en la distribution termica en diferentes emisores termicos afectados de grandes diferencias de alturas-distancias hasta el receptor de calor.

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Salvo que se indique lo contrario, todos los elementos tecnicos y cienrificos usados en la presente memoria poseen el significado que habitualmente entiende un experto normal en la tecnica a la que pertenece esta invencion. En la practica de la presente invencion se pueden usar procedimientos y materiales similares o equivalentes a los descritos en la memoria.

A lo largo de la descripcion y de las reivindicaciones la palabra “comprende” y sus variantes no pretenden excluir otras caracteristicas tecnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y caracteristicas de la invencion se desprenderan en parte de la descripcion y en parte de la practica de la invencion.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripcion que se esta realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracteristicas de la invencion, de acuerdo con un ejemplo preferente de realization practica de la misma, se acompana como parte integrante de dicha descripcion, un juego de dibujos en donde con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

- La figura 1, muestra un diagrama basico del sistema con funcionamiento por gravedad.

- La figura 2, muestra un diagrama del sistema exponiendo su funcionamiento con varios emisores y receptores tanto en serie como en paralelo por gravedad.

- La figura 3, muestra un diagrama del sistema exponiendo su funcionamiento con varios emisores y receptores tanto en serie como en paralelo donde se implementa un conjunto colector de condensados mas bomba impulsora para dar libertad de position a los receptores de calor respecto a la altura de los emisores de calor.

- La figura 4, muestra un diagrama del sistema exponiendo su funcionamiento con varios emisores y receptores tanto en serie como en paralelo donde se implementa un conjunto colector de condensados mas bomba impulsora para dar libertad de posicion a los receptores de calor respecto a la altura de los emisores de calor, asi como en concepto de emisor en serie se ejemplifica un sobrecalentador de vapor.

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A continuation se proporciona una lista de los distintos elementos representados en las figuras que comprende la invention:

1= Receptor de calor, que comprende: captador solar, caldera, resistencia electrica encapsulada, motor, dispositivo a refrigerar...

2= Emisor de calor, que comprende: radiador, intercambiador, serpentm, fan-coil, split...

3= Valvula de carga o dispositivo analogo.

4= Tuberia de retorno (Kquido).

5= Tuberia de ida (vapor).

6= La aceleracion de la gravedad

7= Un conjunto colector de condensados mas bomba impulsora, o dispositivo analogo.

8= Un sobrecalentador de vapor o dispositivo analogo.

REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION

A la vista de las figuras se describe seguidamente un modo de realization preferente de la invencion propuesta segun figura 1:

Teniendo en cuenta que este sistema comprende multitud de dispositivos asumibles como receptor de calor (1) emisor de calor (2) y fluido caloportador, y que presentar esta realizacion preferente de la invencion conforme a este amplio concepto no resulta factible en su objetivo de mejorar la comprension de la invencion junto a su puesta en practica, se propondra como ejemplo una instalacion termo-solar compuesta de un captador solar plano como receptor del calor (1) y un serpentm intercambiador de calor dentro de un acumulador de agua como emisor de calor (2) y con metanol puro como fluido caloportador.

Partiendo de una estructura conforme a especificaciones que nos proporcione diferencia de alturas asumibles segun figura, se instalara en su parte inferior con un angulo coherente a la radiation solar un panel plano de captation solar (1), asimismo en la estructura en su parte superior, y por encima del nivel mas alto del captador se dispondra de un conjunto acumulador con 300l. de agua en el que esta integrado un intercambiador de tipo serpentm (2), donde cuya entrada superior al serpentm (2) es unida mediante

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tuberia de cobre (5) a la salida superior del captador (1), se instalara a continuacion la una tuberia de cobre (4) partiendo de la salida inferior del serpentm (2), hacia la entrada inferior del captador (1) asimismo se instala una valvula de carga/servicio(3) en la tuberia de retorno (4).

Se procedera a la puesta en vado del sistema con una herramienta usualmente conocida como bomba de vado, conociendo previamente los datos de volumen del captador y de la tuberia instalada, tras el vado el sistema se integra el fluido caloportador, siendo elegido el metanol (-50°C « 68 pa. y 136.7°C « 1Mpa.), en una cantidad aproximada al 80% del volumen del captador mas el volumen del nivel equivalente en la tuberia de retorno, quedando el resto ocupado por metanol en estado vapor.

Teniendo en cuenta que la instalacion es solar, de haber radiacion solar incidente, inmediatamente el ciclo se pondra en marcha, captando calor el fluido en toda la superficie en el captador (1), evaporandose en la parte superior transportandose el calor rapidamente por la tuberia de ida (5) en forma de vapor, llegando al serpentm (2) cediendo calor a traves de este al agua, como calor latente y especifico de ambas fases, condensandose y por accion de la gravedad (6), volvera por la tuberia de retorno (4) en su forma liquida para entrar de nuevo en el capador y asi sucesivamente, hasta que haya un equilibrio termico entre ambos o deje de haber sol en este caso.

Se comprueba ademas que esta realizacion preferente es igualmente realizable en multiples receptores y emisores en paralelo segun figura 2, y que es factible la implementacion de una bomba de condensados descrita en la figura 3 y que asimismo es posible implementar un sobrecalentador de vapor en serie u otro dispositivo analogo segun figura 4.

Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invencion, asi como la manera de ponerla en practica, se hace constar que, dentro de su esencialidad, podra ser llevada a la practica en otras formas de realizacion que difieran en detalle de la indicada a ritulo de ejemplo, y a las cuales alcanzara igualmente la proteccion que se recaba, siempre que no altere, cambie o modifique su principio fundamental.

Claims (7)

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   REIVINDICACIONES

   1.- Sistema de transmision termico bifasico caracterizado que comprende:

   - Un fluido puro o mezcla de dos o mas fluidos en forma bifasica (liquido y vapor), integrado dentro de un circuito cerrado y hermetico, sin otro elemento, impureza y/o presion en el circuito mas que la proveniente de su propia presion de vapor caracteristica. Con disposition y nivel tal, que al menos un receptor de calor (1), se encuentre con fluido disponible en estado liquido que absorba calor y por tanto sea evaporado, en disposicion tal, que se permita el paso del vapor por una tuberia de ida (5) hacia al menos un emisor de calor (2), donde ceda calor y sea condensado en el emisor de calor (2),siendo dirigido como liquido por una tuberia de retorno (4) hacia el receptor de calor (1) por una aceleracion gravitatoria y/o mecanica, alcanzando un nivel tal, que permita a la parte liquida absorber de nuevo energia calorifica.
2. 2. - Sistema de transmision termica bifasica segun la reivindicacion 1 caracterizado porque el receptor de calor (1) se encuentra a una altura respecto a la horizontal, inferior a la altura del emisor (2) y como aceleracion de retorno del fluido se usa la gravedad.
3. 3. - Sistema de transmision termica bifasica segun la reivindicacion 1 caracterizado porque el dispositivo empleado para la aceleracion del fluido en direction al receptor es una bomba de condensados (7) o dispositivo analogo que bombea el fluido condensado hacia el receptor de calor (1) de forma tanto continua como discontinua.
4. 4. - Sistema de transmision termica bifasica segun la reivindicacion 1 o 3 caracterizado porque a la salida del receptor de calor (1) se dispone un sobrecalentador de vapor (8) en serie para incrementar la temperatura de salida del vapor por encima de su temperatura de saturacion.
5. 5. - Sistema de transmision termica bifasica segun la reivindicacion 3 o 4 caracterizado porque el receptor (1) se encuentra a una altura respecto de la horizontal superior a la altura del emisor (2).
6. 6. - Sistema de transmision termica bifasica segun una de las reivindicaciones 1 a 5 donde se unan en paralelo o serie multiples receptores termicos (1) y/o emisores termicos (2).
7. 7. - Sistema de transmision termica bifasica segun una de las reivindicaciones 1 a 6 que

   5 contengan dispositivos de distribution y control del los elementos del mismo, tales como: Valvulas, distribuidores, detentores, termometros, manometros, vacuometros, transmisores, termostatos, dilatadores, purgadores, visores...