Climatización en Vehículos: Funcionamiento y Componentes del Aire Acondicionado

El Aire Acondicionado en Vehículos

El aire acondicionado (A/A) sirve para disminuir la temperatura (Tª) del habitáculo cuando está situada por encima de los valores de confort e influye sobre la humedad relativa, contribuyendo a su disminución. La temperatura de confort oscila entre 20 y 24ºC y la humedad entre 40 y 70%.

Fuentes de Calor en el Vehículo

• Radiación solar
• Calor del motor
• Calor del pavimento
• Calor producido por los propios ocupantes

Consecuencias del Calor

El calor eleva la temperatura del vehículo entre 10 y 15ºC por encima de la temperatura exterior. Por encima de los 30ºC, el conductor llega a perder el 20% de su capacidad, y con 35ºC los efectos son como 0,5 gramos de alcohol en sangre.

Principios Termodinámicos

La termodinámica es la física que estudia los fenómenos que producen transformaciones de energía mecánica en calorífica o viceversa.

Variables Termodinámicas

Son aquellas que intervienen en una transformación termodinámica: calor, temperatura, presión, presión atmosférica.

Calor

Es la energía que se manifiesta por un aumento del estado de agitación de las moléculas que componen la materia y que tiene como consecuencia el aumento de su temperatura. El calor se propaga de un cuerpo más caliente a otro menos caliente, finalizando cuando las dos temperaturas se igualan. El frío no es una magnitud y no se propaga. Unidades de medida: S.I = julios, S.T = KGM, S.C = ergio.

Temperatura

Propiedad que determina el nivel térmico de un cuerpo. Mientras más calor posee, más elevada es su temperatura. Escala centígrada o Celsius: 0 cubitos de hielo, 100 evaporación de agua. La temperatura más baja es -273ºC. Kelvin: 0 = cero absoluto. Fahrenheit: 32 punto de fusión del hielo y 212 ebullición.

Presión

Fuerza ejercida en cada unidad de superficie. S.I: 1 Pascal = 1N/1m². S.T: 1kg/cm² = 1kpf/1cm². S.C: 1barria = 1dina/1cm².

Calor Sensible y Calor Latente

• Calor sensible: calor que se le da a un fluido para que pase a temperatura de evaporación.
• Calor latente: a partir de la evaporación, es el calor que se sigue aportando.
• Zona bifásica: hasta que se evapora completamente, se mantiene líquido-gaseoso.
• Vapor sobrecalentado: cuando se evapora toda el agua, aumenta la temperatura, lo que trae un aumento de presión y de volumen constante.
• Vapor saturado: el vapor de agua ve reducida su temperatura, transformándose en líquido.

Funcionamiento del Aire Acondicionado

Refrigerante

El refrigerante debe tener un bajo punto de ebullición, baja temperatura de congelación, composición química estable, no ser corrosivo, ser detectable en caso de fugas y no contaminar. Se utiliza R-134A, antes se utilizaba R-12.

• R-12: 12 bares (Alta Presión) / 3.5 bares (Baja Presión)
• R-134a: 14 bares (Alta Presión) / 2.5 bares (Baja Presión)

Aceite Frigorífico

Para prevenir el desgaste del compresor, se utiliza un aceite refrigerante. R-12 usa aceite mineral, mientras que R-134a usa aceite sintético.

Compresor

Aspira el fluido, comprimiéndolo e impulsándolo a alta presión y temperatura. Se acciona por la correa de accesorios. Existen:

• Compresores de émbolos biela-manivela: poco empleados.
• Compresores de émbolos axiales y cilindrada fija: el émbolo comprime el fluido en una cámara y aspira a su vez en la cámara opuesta por su otra cara. El plato oscilante se intercala entre ambas caras activas de los émbolos. Tiene dos culatas con conducto de entrada y salida de refrigerante que se unifica en un conducto único.
• Compresores de cilindrada variable: cada vez más empleados. Se regula el caudal de refrigerante según las necesidades de funcionamiento. Así, en caso de baja demanda de refrigeración, el caudal de fluido se reduce, por lo tanto, son menores las pérdidas de arrastre. Cuando las necesidades de refrigeración son máximas, el caudal de refrigerante aumenta.
• Compresores con autorregulación interna: sistemas con regulación electrónica, compresores rotativos de paletas, compresor rotativo de tipo espiral. Se accionan por embrague electromagnético o de accionamiento directo.

Condensador

Intercambiador de calor formado por un serpentín tubular rodeado de aletas dispersoras. Evacua el calor del fluido frigorífico que se encuentra en estado gaseoso y a alta presión para que pase a estado líquido. La temperatura del fluido baja en unos 40ºC. Está situado por delante del radiador del circuito refrigerante para aprovechar la corriente de aire provocada por el vehículo en movimiento.

Electroventilador

Crea la corriente de aire necesaria para la cesión de calor a la atmósfera en el condensador. Su ubicación depende del vehículo, suele situarse por delante del condensador. Se alimenta por el presostato cuando este es de tres o cuatro vías. En muchos casos, hay dos electroventiladores, de tal manera que uno de ellos se activa solamente en caso de grandes demandas de refrigeración o elevadas temperaturas exteriores. También puede haber un ventilador de grandes dimensiones accionado mediante relés diferentes para así conseguir dos velocidades de funcionamiento en vehículos modernos alimentados por una corriente pulsatoria tipo PWM con dwell variable.

Evaporador

Intercambiador de calor instalado en el lado de baja presión, mediante el cual se enfría el aire que se va a introducir en el habitáculo. El fluido absorbe la corriente de aire antes de que este entre en el habitáculo. El incremento de temperatura en el refrigerante es decisivo para finalizar el proceso de evaporación del fluido que se encontraba en estado difásico tras su paso por el expansor. Ahí se produce un proceso de absorción de humedad, útil para el desempaño del parabrisas delantero, pero perjudicial para los ocupantes. Los modernos sistemas de climatización mezclan corrientes de aire que atraviesan el aerotermo y el evaporador.

Dispositivo Expansor

Provoca un brusco aumento de volumen en la zona de alta presión para así producir una disminución de presión que favorece la vaporización del fluido refrigerante. Tiene un estrechamiento puntual que a la salida produce la expansión.

• Válvula de expansión: permite regular el caudal y la presión del fluido que deja pasar hacia el evaporador tomando como referencia los valores de estas magnitudes a la salida del evaporador. En la válvula tipo L, la regulación se producía tomando la temperatura del evaporador mediante un capilar y un bulbo sensor en contacto con este. Cuando aumenta la temperatura del fluido a la salida del evaporador, el refrigerante contenido en el bulbo, en el capilar y en la cápsula ven incrementado su volumen.
• Válvula monobloque o válvula H: no solo tiene en cuenta la temperatura de salida del evaporador, sino que además interviene en su regulación las presiones de entrada y salida del mismo. Cuando se emplea válvula de expansión, el filtro deshidratador se monta en la zona de alta presión, entre la salida del condensador y la entrada de la válvula de expansión.
• Válvula de orificio o de espiga: no permite la regulación de caudal, por lo que ha de ir asociado a un compresor de cilindrada variable con el que efectúa dicha regulación. El filtro deshidratador se ubica en la zona de baja presión, recibiendo el nombre de dispositivo colector.

Filtro Deshidratador

Se instala a la salida del condensador. Actúa como depósito de reserva: amortigua las oscilaciones de presión provocadas por el compresor, filtra el líquido en circulación y absorbe la humedad contenida en la instalación, que puede producir hielo en la válvula de expansión, llegando incluso a bloquearla. Tiene un difusor o mirilla en el cual se observa el paso del fluido. Los valores máximos de humedad están entre 12 y 15 ppm. En caso de los equipos con sistemas de expansión mediante válvula de espiga, se instala en la zona de baja presión, entre el evaporador y el compresor. El depósito colector trabaja a una presión mucho más reducida y no cuenta con mirilla, ya que por su ubicación el fluido se encontrará en estado gaseoso.

Presostatos

Controlan la presión en el circuito, de forma que cuando no alcanza o sobrepasa los valores establecidos, desconecta el compresor. El presostato binario desconecta el compresor cuando en la zona de alta presión se sobrepasen los 28 bares y no superen los 2,5 bares.

• Presostato Binario: desconecta el compresor cuando la presión es menor a 2 bares o mayor a 28 bares.
• Presostato Trinario: añade una nueva función: cuando la presión supera los 15 bares, se activa el relé que gobierna la entrada en funcionamiento del electroventilador del condensador para aumentar la condensación, reduciendo de este modo la presión. Puede ir montado en un soporte específico si el expansor empleado es de válvula de espiga, o bien en el filtro deshidratador cuando se emplea válvula de expansión.
• Presostato Cuaternario: cumple con las funciones del trinario y se amplían con nuevos presostatos con una presión de funcionamiento superior. Si se supera dicha presión, se conecta la velocidad máxima de ventilación del condensador o bien el segundo electroventilador.

Válvula de Seguridad

Evita una sobrepresión en la zona de alta presión en caso de fallo del circuito o mecanismo del presostato. Suele ubicarse en el mismo compresor, disponiendo de un protector de plástico que indica si alguna vez se ha activado, ante lo cual debe sustituirse. No todos los compresores la emplean.

Termostato

Regula la temperatura de funcionamiento de la instalación, cumpliendo una doble función:

• Protege la instalación, evitando la formación de escarcha en el evaporador.
• Regula la temperatura en el interior del habitáculo.

En ambos casos, cuando la temperatura sobrepasa los márgenes, se desconecta del embrague electromagnético del compresor de cilindrada variable con regulación electrónica.

• Termostato del habitáculo: control mecánico. Una sonda en contacto con el evaporador conectada con una tubería a una cámara flexible que se contraerá cuando la temperatura del fluido existente en dichos elementos se sitúe por debajo de un determinado valor, desconectará los contactos que comandan los relés del electroembrague.
• Termostato electrónico: la medición de temperatura la hace una resistencia variable NTC que cierra el circuito de base de un transistor que comanda la puesta en marcha del relé del compresor. Cuando la temperatura sea muy baja y exista riesgo de congelación, el sistema desconecta el compresor.
• Termostato de protección: la medición de la temperatura por una resistencia NTC situada a la salida del evaporador no existe la posibilidad de regulación. Cuando la temperatura sea muy baja y no exista riesgo de congelación, se desconectará el compresor.