Aire acondicionado en el automóvil
Los primeros automóviles no eran exactamente confortables. En invierno, los pasajeros se abrigaban con mantas y en el verano, el aire acondicionado era una brisa que resultaba de la velocidad máxima de 15km/h. En 1908, cuando los fabricantes comenzaron a cerrar las cabinas en los vehículos, el calor pronto llego a ser un problema. Se pusieron ventilaciones en el piso de los automóviles, pero esto trajo al interior más polvo y tierra que aire fresco. Un cubo con agua cerca de la ventilación del piso fue el primer sistema de aire acondicionado. El efecto de reducción de temperatura del aire pasando a través del agua fue llamado un All-Weather Eye. Tales sistemas eran en realidad todavía disponibles para VAN y RV. Este sistema fue inventado por Nash en 1938 y suministro enfriamiento en el verano y calor en el invierno con una simple perilla. El primer automóvil con un sistema real de enfriamiento fue el modelo Packard del año 1940. El “espiral de enfriamiento”, un gran evaporador, se localizaba detrás del asiento y el único control era un interruptor del ventilador. Esta opción permitió a Packard avisar, “Olvídese del calor este verano en el único automóvil con aire acondicionado en el mundo”.
Este sistema fue promocionado como un “Acondicionador de Clima” y también filtraba el polen y el polvo del aire. El Acondicionador de Clima pudo también transformarse en un sistema calefactor mediante ajustar controles de amortiguación localizados en el maletero. Entre 1940 y 1942, Packard equipó 1500 automóviles con aire acondicionado. Para 1954, alrededor de 36000 automóviles tenían sistemas de aire acondicionado instalados en la fábrica. En 1966, el Motor Service Manual estableció que 3.560.000 unidades de AC habían sido atendidas en los U.S. Las ventas de automóviles equipados con AC pronto se agotaron. El año 1987 aparece con 19.571.000 unidades de AC. Se estima que actualmente sobre el 80% de los automóviles y camiones livianos en funcionamiento tienen aire acondicionado. Constantemente se realizan cambios para acomodarse a los nuevos diseños de automóviles, medio ambiente, comodidad y seguridad de los pasajeros. Actualmente, pocas personas consideraran un vehículo nuevo que no tenga aire acondicionado. Hoy día, los sistemas de calefacción y aire acondicionado son muy eficientes. Las configuraciones modernas de Control Automático de Temperatura son más confiables que las antiguas controladas por vacío y termostáticas. Los computadores también aseguran la comodidad de los pasajeros y el conductor.
Fuentes de Calor
Cuando un vehículo es conducido en una autopista o aun cuando esta solamente estacionado al sol, el calor ingresa al vehículo desde muchas fuentes. La luz directa del sol irradia calor sobre el techo y los paneles de la carrocería y a través del área de vidrio. El calor también es irradiado desde el pavimento caliente y desde los pasajeros. El calor del motor es conducido por el corta fuego. El calor del sistema de escape es generado por el tubo de escape, el tubo trasero, el silenciador y el convertidor catalítico y este calor ingresa a través del piso del vehículo. Todas estas y otras fuentes misceláneas de calor aumentan la temperatura del aire dentro del vehículo. Se ha comprobado que en un día caluroso (aproximadamente 30°C), la temperatura interior de un vehículo estacionado al sol con las ventanas cerradas puede alcanzar más de 60°C
Temperaturas Dentro de un Vehículo
El interior de un automóvil refrigerado no solamente ofrece apropiada comodidad, sino que también es la base para una conducción segura activa. Una temperatura interior muy elevada (en el verano frecuentemente entre 40°C y hasta 60° C) empeora la eficiencia y perseverancia, atención y tiempo de respuesta del conductor. El resultado de esta reacción lenta se traduce en mayores distancias de detención y más accidentes. ¡La seguridad activa es el beneficio más importante!
Enfriamiento
Además de acondicionar el aire interior (enfriar), confiable en el verano, un sistema acondicionador de aire ayuda a suministrar una visión clara en el invierno o en días húmedos debido a que este remueve la humedad del aire y por lo tanto previene la bruma. También limpia el aire interior de los contaminantes. La fuerte contaminación del aire – en particular en tráfico pesado de ciudad – aparece también por el sistema usual de ventilación en el interior del vehículo. Esta condición de incomodidad de los pasajeros se previene mediante un sistema de aire acondicionado a través de los filtros (estos también están disponibles sin aire acondicionado) y la limpieza del polvo debido a la remoción de la humedad.
Definición de Calor
Con el fin de entender el principio de funcionamiento de un sistema de aire acondicionado, es importante comprender los principios físicos que hacen que el sistema trabaje. El calor en la cantidad correcta suministra vida y comodidad. El calor en cualquier extremo sea demasiado o muy poco, conduce a situaciones incomodas. El control del calor significa control de la comodidad. El aire acondicionado es una forma de controlar el calor. Para entender como funciona un sistema de aire acondicionado, primero se debe comprender la naturaleza del calor.
Esto parece algo difícil de entender al principio, pero los principios de aparición de temperatura, evaporación, expansión y radiación se harán más claros en la medida que se considere este capitulo. Todas las sustancias contienen calor. Algunas de ellas se sienten calientes cuando están sustancialmente más cálidas que nuestra propia temperatura corporal. La temperatura es el calor sensible. Cuando alguna cosa contiene mucho menos calor que nuestro cuerpo, se dice que se siente fría. El frío es simplemente la remoción de algún calor. El calor siempre viajara desde el lado más cálido al más frío. Este proceso no puede detenerse. Este solamente puede disminuirse mediante aislación. Por lo tanto: el sistema de aire acondicionado no produce frío, sino que remueve calor. De acuerdo con la Ley Natural, el calor siempre se moverá desde el objeto mas caliente al mas frío. Donde sea que allá una diferencia de temperatura entre dos objetos, la energía calórica será transferida desde el objeto mas caliente al más frío hasta que ambos objetos se estabilicen a la misma temperatura. Ejemplos: cuando se sale afuera en un día frío, se siente frío. No porque el frío entra en el cuerpo, sino porque el calor esta moviéndose desde nuestro cuerpo al aire frío, provocando que sintamos frío. Lo contrario es verdad cuando estamos en un lugar que es más cálido que nuestra temperatura corporal, nos sentimos acalorados porque el calor del aire caliente se esta moviendo hacia nuestro cuerpo.
Transferencia de Calor
Conducción: el calor viaja a través de una sustancia, desde un punto de calor a un área frío por conducción. Todos hemos experimentado esto cuando se levanta una sartén caliente desde la cocinilla. La manilla esta caliente aunque no esta en contacto directo con el quemador. El calor es conducido a través del metal de la sartén hacia la manilla fría. (Recuerde, el calor se mueve desde el objeto mas caliente al mas frió). De manea similar, una barra de metal calentada en un extremo se calentara hasta el otro extremo por conducción.
Radiación: el calor es irradiado desde alguna sustancia caliente en forma de onda de calor. Estas ondas son una forma de energía y aumentaran la temperatura de cualquier objeto con el que ellas entren en contacto. El sol es la mayor fuente de calor para la tierra. Sus ondas de calor son transmitidas a través del espacio y calientan la tierra al entrar en contacto con ella. La luz directa del sol es un buen ejemplo de calor por radiación. El color tiene una parte importante que jugar en la radiación de calor. Un vehículo de color oscuro se calentara más que un vehículo de color claro. Esto se debe a que los colores claros reflejan más ondas de calor (luz), mientras que los colores oscuros absorben más ondas de calor (luz). Para poner la radiación de calor en la perspectiva de un sistema de aire acondicionado, nótese que el condensador, que contiene el refrigerante a alta temperatura, conducirá e irradiará el calor al aire exterior más frío.
Convección: el calor también es transportado desde un punto a otro por el movimiento de una sustancia calentada. Este movimiento de calor se llama convección. Cuando se abre un grifo de agua caliente, se consigue agua caliente, aunque el calentador de agua esta a cierta distancia.
Esto se debe a que el agua en movimiento transporta el calor desde el calentador hacia el grifo.
Estados de Agregación
Cambio de Estado: Evaporación y Condensación. Un efecto adicional por el intercambio de calor es que las moléculas pueden cambiar su estado en lugar de su temperatura. En cierto punto (punto de ebullición, punto de solidificación), por ejemplo, el agua se transforma en vapor o en hielo. Existen tres procesos que describen un cambio de estado: Evaporación, Condensación y
Congelamiento
La Evaporación es el término utilizado cuando se agrega suficiente calor para cambiar una sustancia de estado líquido a vapor (gas). Todos estamos familiarizados con el agua hirviendo y el vapor (vaho) que ella despide. En el punto de ebullición del agua (100°C), se ha absorbido calor suficiente por el agua para cambiar su estado. El líquido se convierte en vapor.
Condensación es el término utilizado para describir el proceso inverso a la evaporación. Si se tiene vapor y se remueve suficiente calor de el, se producirá un cambio de estado que causara que el vapor se convierta en líquido.
El Congelamiento resulta cuando se remueve calor continuamente desde una sustancia liquida hasta que esta queda en estado sólido. Debe recordarse que cualquier cosa sobre – 273°C contiene alguna cantidad de calor. En un sistema de aire acondicionado, el congelamiento es un peligro que debe evitarse.
NOTA: El Plasma (gas ionizado que tiene una alta conductividad eléctrica) es generalmente considerado un cuarto estado de agregación.
Calor Latente de Evaporación
Términos y Parámetros: capacidad específica de calor. La capacidad específica de calor es la cantidad de calor en J (Joule) necesaria para levantar la temperatura de una sustancia. La capacidad específica de calor es una función de temperatura. En el caso de los gases, es necesario diferenciar entre capacidad específica de calor a presión constante y a volumen constante.
Calor Específico de Fusión
El calor específico de fusión de un sólido es la cantidad de calor en J necesaria para transformar 1kg de una sustancia a temperatura de fusión desde el estado sólido a estado líquido.
Calor Latente de Evaporación
El calor latente de evaporación de un líquido es la cantidad de calor en J necesaria para evaporar 1kg de un líquido a temperatura de ebullición. El calor latente de evaporación es altamente dependiente de la presión. Por ejemplo: cuando se agrega calor a un contenedor con 1kg de agua a 100°C (a nivel del mar), el agua absorberá 1 023kJ de calor latente sin algún cambio en la lectura del termómetro. Sin embargo, se producirá un cambio de estado desde líquido a vapor. El calor que se absorbe es llamado “el Calor Latente de Evaporación”. El vapor retendrá los 1023kJ debido a que eso fue necesario para provocar el cambio de estado.
Calor Latente de Condensación
Cuando el proceso de arriba se invierte y se remueve calor desde 1kg de vapor de agua a 100°C (a nivel del mar), el vapor entregara 1023kJ de calor sin causar una caída en la lectura del termómetro. Sin embargo se producirá un cambio de estado desde vapor a líquido. El calor que a sido entregado se llama “Calor Latente de Condensación”.
Temperatura y Presión
Medición del Calor
La temperatura o INTENSIDAD del calor se mide con un termómetro. Aunque se utilizan en ocasiones Grados Celsius (°C) y Fahrenheit (°F), la mayoría de las referencias en este manual se haran en grados Celsius. Una lectura de temperatura indica solamente la intensidad del calor o el CALOR SENSIBLE de una sustancia y no la cantidad actual de calor. La persona promedio tiene una zona de comodidad de alrededor de 21-27°C . En este rango de temperatura es donde nos sentimos más confortables. Cuando la temperatura de alguna cosa esta sobre o debajo de este rango, pensamos de esta como caliente o fría. Los científicos dicen que una medida llamada “Cero Absoluto” es el punto en el cual se a removido todo el calor de un objeto. Este punto esta determinado a los –273°C. Cualquier sus tancia que esta sobre esta temperatura absoluta contiene algún calor. Para comprender el aire acondicionado también debe comprenderse la presión y la relación con la temperatura y constitución. El mundo en que vivimos esta rodeado por aire o gas. El gas ejerce presión en todas las direcciones con igual fuerza. El gas que nos rodea esta compuesto por 21% de oxigeno y 78% de nitrógeno. El 1% restante esta compuesto por otros gases raros. Esta combinación de gases es llamada atmósfera y se extiende por algunos cientos de kilómetros sobre la tierra y esta sujeta a ella por la gravedad. A nivel del mar, la presión atmosférica es de 1.0 bar y el punto de ebullición del agua es 100°C. Si estuviéramos en algún punto mas alto que el nivel del mar, la presión atmosférica será menor y por lo tanto también lo será el punto de ebullición del agua. Si la presión disminuye a 0.38 bar, el punto de ebullición del agua será de 75°C. Si la presión disminuye a 0.12 bar, el punto de ebullición será de 50°C. Si el punto de e bullición del agua es afectado por la caída de presión, entonces igualmente el aumento de presión afectara también el punto de ebullición del agua. Por ejemplo ¡Vapor de cocina!
Información adicional
Como convertir Fahrenheit a Celsius y viceversa
C = 5/9 x (F-32),F = (9/5 x C) + 32, Kelvin = C + 273, Rankine = F + 460.
Relación Presión Calor
Es importante conocer la relación presión – temperatura del refrigerante en el sistema de aire acondicionado. Si la presión del refrigerante es baja, su temperatura también será baja. Inversamente, si la presión es alta, su temperatura también será alta. Esto significa por ejemplo que el aumento de temperatura es aumento de presión y el aumento de presión es aumento de temperatura.
Por ejemplo bomba de aire para una bicicleta, recordar esto es importante, porque la presión cambia así como la temperatura cambia es muy importante en la función de sistema de AC.
Principio de Funcionamiento del AC
Para la comprensión del funcionamiento del sistema de aire acondicionado, debe conocerse los componentes del sistema y como ellos se relacionan unos con otros. Cuando se habla acerca de los componentes básicos del sistema de aire acondicionado, también se debe entender los términos
– Lado Alto y Lado Bajo del sistema. Los componentes básicos de todo sistema de aire acondicionado también estarán relacionados con el lado Alto y Bajo del sistema.
- Lado Alto: Simplemente se refiere al lado del sistema en el que existe alta presión. La creación de alta presión (y alta temperatura) es trabajo de los compresores de manera que el R134a será capaz de condensar y liberar calor al condensador. Se crea un diferencial de presión en la válvula de expansión – junto con el compresor, este es el segundo punto de división entre el lado de alta presión y baja presión.
- Lado Bajo: Es el término utilizado para la porción del sistema de aire acondicionado donde existe baja presión y temperatura. Desde la válvula de expansión, a través del Evaporador y hacia el lado de entrada del compresor, el R134a esta en un estado de baja presión. Esto permite que el calor se transfiera desde el interior del vehículo al R134a enfriado, y luego sea transportado y alejado desde el interior del habitáculo.
Un sistema de aire acondicionado remueve el calor desde el aire exterior cuando este pasa por el evaporador, de forma que entra aire frío al habitáculo. El aire caliente al interior transfiere algún calor al aire enfriado que acaba de entrar. Debido a esto el habitáculo completo se enfría. El patrón del ciclo refrigerante muestra el principio de funcionamiento de un sistema de aire acondicionado: el refrigerante circula en un ciclo cerrado y constantemente cambia entre la condición de líquido y gaseoso. Con esto el calor es extraído desde el interior y entregado a fuera del vehículo. El ciclo refrigerante esencialmente esta compuesto por cinco componentes principales: Compresor, Condensador, Tanque Colector / Secador, Válvula de Expansión, Evaporador. Los componentes están conectados en un ciclo cerrado, por el cual circula el refrigerante. El refrigerante que entra al compresor es gaseoso y entonces es comprimido, condensado por emisión de calor, de manera que se convierte en líquido. Cuando alcanza la válvula de expansión, tiene lugar una reducción de presión, de forma que se evapora (dentro de evaporador) y por medio de eso absorbe calor. En la forma de gas este alcanza nuevamente el compresor y el ciclo se reinicia. El ciclo refrigerante esta divido en un circuito de alta presión y un circuito de baja presión (lado de succión). Los puntos de separación son el compresor, la placa de válvula y la válvula de expansión.
Refrigerante R12
Como muchos saben, en el pasado el refrigerante que se utilizo en los automóviles se llamaba R12 la razón de utilizar esto fueron sus propiedades físicas y químicas, tales como el punto de ebullición de –28.9°C pero fue desechado cuando apa recibieron problemas medio ambientales tales como la destrucción de la capa de ozono. Por lo tanto, este fue reemplazado por un nuevo refrigerante: R134a.
Agujero de la Capa de Ozono
Teoría de destrucción de la capa de ozono: El Freón es una sustancia extremadamente estable, de forma que esta pasa desde la tierra a través de la Troposfera y alcanza la Estratosfera sin descomponerse. Aquí, el Freón dispersado es inundado con fuertes rayos ultravioleta y se descompone, liberando cloro. Con este cloro como catalizador, se produce una reacción y el ozono se destruye. Una vez que el cloro penetra en la estratosfera, permanece allí por largo tiempo y la destrucción del ozono continúa. Control de los CFC: En Mayo de 1989, se sostuvo el “Tratado de Viena, Montreal Protocol First Treaty Powers Meeting” y el propósito de fortalecer las regulaciones mandatorias de abolición total del Freón especificado para el año 2000, se examinó en detalle. Con este plan, la producción del Freón objetivo debería ser reducida al 25% o menos desde Enero 1994, basada en los resultados actuales de consumo de Freón en 1986. Para el año 1996 ellos deberían ser totalmente abolidos. El fenómeno del agujero de ozono: los rayos ultravioleta de cierto largo de onda son dañinos para los organismos vivos, son una causa de cáncer de piel y ejercen una influencia sobre los genes. La capa de ozono absorbe estos rayos ultravioleta, desarrollando de esa forma un papel extremadamente importante en la preservación de la vida en la tierra. Sin embargo, en 1985 el Dr. Farman, de Gran Bretaña anuncio que un fenómeno podía observarse sobre el Polo Sur, donde la capa de ozono se reduce en primavera y se restaura a su nivel normal en el verano. Un satélite artificial sensor también capturo este fenómeno y la imagen que envió revelo que el ozono en el cielo sobre el continente de la Antártica estaba siendo destruido. Como este aparecía como un agujero en la capa de ozono, fue llamado el “agujero de ozono”. Este agujero de ozono atrajo la atención de los científicos. El hecho de que la capa de ozono estaba siendo destruida por el Freón y existía el peligro de que los dañinos rayos ultravioleta cayeran copiosamente sobre la superficie de la tierra, había sido advertido más de 10 años antes. Se tomo una decisión de montar una observación a gran escala con el fin de investigar el mecanismo del agujero de ozono y clarificar su relación con el Freón.
El Papel del Ozono
El Papel de la Capa Ozono: la atmósfera que envuelve la superficie de la tierra esta dividida en un número de capas y la más cercana a la tierra se llama la Troposfera. En la troposfera, las temperaturas son mayores cerca de la superficie de la tierra y en la medida que aumenta la altitud, la temperatura disminuye. Por esta razón, se produce una convección en la atmósfera y se manifiesta como un fenómeno atmosférico. En el rango de altitud de los 20 a 30km de la estratosfera, el grado de concentración de ozono es alto. Este es llamado La Capa de Ozono. Un cierto largo de onda de rayos ultravioleta esta dañando a los seres vivientes, es una fuente de cáncer a la piel y tiene un efecto sobre la estructura genética. La capa de ozono, mediante absorber esos rayos ultravioleta juega una parte critica en la preservación de la vida en la tierra.
Formación del Ozono: Los átomos de oxigeno absorben los rayos ultravioleta y son descompuestos en átomos de oxigeno. Estos átomos de oxigeno se combinan con las moléculas de oxigeno para formar el ozono. El ozono se forma cerca del ecuador donde la cantidad de radiación solar es alta y se esparce en dirección de los polos a través del lento movimiento atmosférico.
Muy buena