El sistema de climatización de un vehículo es una parte fundamental de este, ya que contribuye a mantener la confortabilidad en su interior.
Para comprender su funcionamiento es esencial conocer cuáles son los parámetros que influyen en la variación de las condiciones ambientales en el habitáculo interior, así como los procesos que tienen lugar dentro del climatizador, para lo cual también se explican los conceptos relativos a los principios físicos en los que se basan las transformaciones que se producen en las sustancias contenidas en el sistema y las propiedades físicas de las sustancias que intervienen en estos procesos.
La climatización dentro del mundo del automóvil tiene varias misiones o funciones que siempre están controladas o manejadas por el conductor y los ocupantes del vehículo, según también donde lleve los mandos de climatización.
Nota
Alguna de estas misiones va directamente ligada a conseguir una conducción más segura para los ocupantes del vehículo y para los demás usuarios de la vía, ya sean otros conductores o peatones.
Las misiones que cumple la climatización son:
Mandos de climatización
Actividades
1. Buscar el material con el que los fabricantes de vehículos elaboran los asientos.
2. Buscar el material con el que se están fabricando los salpicaderos de los vehículos.
El ser humano se siente a gusto si su entorno está a una temperatura y una humedad del aire determinadas, es decir, se siente en una situación de confort. Por ello, esta es una parte de seguridad activa, sobre la que ejerce una influencia positiva.
| Área | Con climatizador | Sin climatizador | |
|---|---|---|---|
| Cabeza |  |
23º C | 42º C |
| Tórax | 24º C | 40º C | |
| Pie | 28º C | 35º C | |
Temperatura en un turismo de clase media tras una hora de circulación a una temperatura ambiental de 30 ºC y una radiación solar directamente incidente
Nota
Una temperatura y una humedad del aire determinadas influyen sobre la seguridad de conducción y la no existencia de fatiga.
Las condiciones de confort en invierno y en verano no son las mismas. A continuación se explican cuáles deben ser las condiciones interiores según las temperaturas del exterior:
La siguiente gráfica muestra las curvas de confortabilidad ambiental en función de la temperatura y el caudal del aire:
Una carga externa es la radiación solar o climatología, que afecta principalmente al interior del vehículo y, por consiguiente, al conductor y a su seguridad de conducción.
Sabía que...
La temperatura del asfalto también influye como carga externa sobre la temperatura del vehículo.
La temperatura ideal para conducir está entre los 20 ºC y los 22 ºC, que es el margen agradable. Las temperaturas dentro de ese intervalo equivalen a la carga climatológica A (véase imagen siguiente).
La radiación solar intensa incidiendo sobre un vehículo puede llegar a aumentar la temperatura del interior en más de 15 ºC por encima de la temperatura atmosférica.
Aquí es donde llega el mayor peligro para el conductor y los ocupantes del vehículo, aumentando la temperatura corporal e intensificándose la frecuencia cardiaca. El cerebro recibe una cantidad menor de oxígeno (área B de la imagen).
En el área C de la figura es donde llega la mayor sobrecarga para el cuerpo, causando el llamado estrés climatológico.
Las cargas internas están generadas por los materiales y los colores que componen el interior del vehículo, influyendo activamente en la temperatura ambiental de dentro. Si los colores de la tapicería son más oscuros, la temperatura aumentará más, y si el tapizado y el interior del vehículo son de un material que absorbe las radiaciones solares, aumentará más aún.
Interior de color oscuro
También puede intervenir en dicha carga interna la propia temperatura del motor, siendo más elevada cuanto más caliente esté.
Nota
La ubicación del motor dentro del vehículo también interviene, puesto que si está dentro del compartimiento del habitáculo tiene más influencia térmica en el ambiente.
Como ya se ha comentado con anterioridad, la confortabilidad de la conducción depende mucho de la temperatura exterior y de cómo se regule la interior. Además de la temperatura, otros parámetros a tener en cuenta en el cálculo de la sensación térmica de los ocupantes de un vehículo son:
Nota: por ejemplo: si a determinada temperatura, el aire tiene una humedad relativa del 60%, quiere decir que del 100% de vapor que podría contener antes de empezar a condensarse, solo tiene un 60%.
Nota: una persona normal respira entre 360 y 900 litros de aire/hora.
Aplicación práctica
Llega al taller un vehículo en el que, cuando se acciona la función de desempañado de cristales en el climatizador, no se desempeña dicha función. Es decir, la climatización funciona, pero no gestiona el desempañado. ¿Cuál puede ser el motivo?
SOLUCIÓN
El problema puede haber sido ocasionado por no haber colocado bien la temperatura de desempañado o también porque se haya estropeado el motor de la trampilla que abre la salida de aire para los cristales; con lo cual hay que proceder a sustituir dicho motor.
Sabía que...
Se ha descubierto que las emisiones de anhídrido carbónico derivadas de la combustión del petróleo influyen directamente en el calentamiento global del planeta, causando el temido efecto invernadero.
El climatizador del vehículo es un único sistema que realiza los procesos de enfriar, calentar, deshumectar, etc., solo que para cada uno de ellos acciona unos elementos u otros del sistema de climatización. Los procesos que a continuación se detallan y se explican son los que se realizan en un climatizador de vehículos:
Cuando la climatización no es automática, solo se podrá regular si se quiere frío o calor, con un nivel de caudal de aire mayor o menor. La introducción de aire frío sería constante. Este sistema enfría hasta un mínimo de unos 11-12 ºC.
En un sistema de climatización automática, por medio de la información aportada por los sensores o las sondas de temperatura, se regula automáticamente a la temperatura que se le haya indicado en el cuadro de mando del climatizador.
Nota: si el climatizador no es automático, introducirá calor en función de la posición en la que se coloque el mando selector de temperatura en el panel de mandos del conductor, haciendo que se abra más o menos la trampilla de calor en relación con la de aire frío.
Actividades
3. Buscar los distintos tipos de refrigerantes de climatizadores que existen y anotar cuáles son.
4. Buscar y anotar los distintos tipos de cristales usados en los vehículos.
Nota: estos procesos del climatizador son los mismos, pero no se realizan de igual forma en un aire acondicionado con regulación manual y en un climatizador con regulación automática.
Nota: esta función se usa en renovar para que el aire interior no se vicie (contamine en exceso) y en recirculación para cuando se pasa con el vehículo por alguna zona donde haya malos olores.
En el mundo del automóvil hay muchos tipos de cristales que tienen funciones dispares. Entre ellas está la protección contra las radiaciones solares para, con ello, permitir un menor calentamiento del interior, dando un mayor confort a sus ocupantes. Entre los tipos de vidrio que van a permitir bloquear los efectos de la radiación solar, destacan dos:
El plástico y el intercalario pueden ser incoloros o teñidos con un tinte que absorbe las radiaciones UV e infrarrojas, y evita la excesiva transmisión de calor.
Nota: el cristal templado consiste en calentar una pieza de cristal de forma gradual hasta llegar a aproximadamente 650 ºC y enfriarla rápidamente con aire. La característica más importante de este tipo de cristal es que tiene una dureza mecánica cuatro o cinco veces mayor que un cristal normal. El vidrio templado tintado se consigue añadiendo, durante la fabricación, agentes colorantes a la composición.
Detalle de cristales tintados
Vidrio atérmico
El funcionamiento de un climatizador se basa en la compresión y la expansión de un gas con unas características especiales (fluido frigorífico) como son los gases clorofluorocarbonos (R-12), que ya no se usan, y los tetrafluoroetano (R-134a), que son los sustitutos de los anteriores. Una peculiaridad de este gas es que se evapora a -26 ºC.
Nota
Actualmente se está estudiando la utilización de otros tres fluidos refrigerantes, pero aún están en fase de prueba. Estos son: el R-1234yf, el R-744 y el R-152a.
Los elementos que componen un climatizador, y en los que tienen lugar los procesos que van a generar aire acondicionado, son: compresor, condensador, válvula de expansión y evaporador, junto con filtros, conductos, sondas, etc. En ellos, un fluido frigorífico absorbe el calor del aire que entra en el habitáculo y lo cede al ambiente. El proceso de enfriamiento se desarrolla en varias etapas, cada una de las cuales tiene lugar en una parte diferente del sistema.
En una primera etapa, el compresor aspira fluido refrigerante, que entra en forma gaseosa a baja presión y temperatura. Dentro del compresor, el fluido se comprime y, cuando sale de este, su presión y temperatura han aumentado.
El fluido que sale del compresor se dirige al condensador. El condensador es un intercambiador de calor y en él se produce la cesión de calor al aire que lo atraviesa, con lo cual el fluido frigorífico se va condensando a la vez que disminuye su temperatura. A la salida del condensador, el fluido frigorífico se encuentra en estado líquido a alta temperatura.
El líquido que abandona el condensador pasa por un filtro deshidratador donde se elimina la humedad y las impurezas de forma que llega totalmente limpio a la válvula de expansión.
Nota
Cuando un fluido pasa de estado líquido a gaseoso absorbe calor del ambiente, creando con ello una ausencia de calor.
En la válvula de expansión tiene lugar una brusca bajada de temperatura y pérdida de presión, lo que produce una rápida evaporación del fluido. A la salida de la válvula de expansión, el fluido se encuentra en estado líquido a baja temperatura.
De la válvula de expansión, el fluido frigorífico se dirige al evaporador, que es otro intercambiador de calor, donde se produce el intercambio de calor con el aire exterior que va a entrar en el habitáculo. El fluido absorbe calor del aire exterior, con lo cual el fluido se evapora y el aire exterior se enfría.
7.1. Funciones de las compuertas
Las funciones de las compuertas son muy variadas. Son compuertas tanto las que se accionan en la cabina para permitir o cerrar la entrada de aire, como las que modifican la dirección del aire exterior que, impulsado por el ventilador, se hace pasar por el evaporador (para enfriarlo), por el radiador (para calentarlo), o bien por los dos, para obtener una mezcla de aire a la temperatura deseada.
Nota
También está la compuerta de la recirculación o reciclado, que si se acciona queda en una posición u otra para permitir o evitar la entrada de aire de fuera del habitáculo.
Las diferentes compuertas, de recirculación, de distribución o de mezcla de aire frío/caliente, se gobiernan mediante actuadores que reciben la señal de una centralita programada.
Los sistemas de climatización han evolucionado con respecto a los climatizadores antiguos, dotando a las plazas delanteras del vehículo con los nuevos sistemas bizonales, donde se puede regular independientemente el flujo de aire y la temperatura. Una de las últimas evoluciones en este sector de la confortabilidad es la incorporación de los sistemas cuatro zona, que son iguales a los bizona, pero tienen control de temperatura y flujo de aire en las plazas traseras izquierda y derecha.
Mandos del climatizador bizona
Mandos del climatizador trasero o cuatro zona
La temperatura es una propiedad que mide el grado de agitación interna de las partículas que componen la materia: a mayor agitación, mayor temperatura. Está relacionada con la sensación de calor o de frío que se siente al contacto con ella.
Ejemplo
Cuando una persona toca un objeto que está a una temperatura más baja que la de su cuerpo, siente sensación de frío; y cuando es al contrario, calor.
A continuación, se indican las unidades de temperatura más importantes y usadas con sus escalas correspondientes:
| ESCALAS | SÍMBOLO | TEMPERATURA CONGELACIÓN | TEMPERATURA EBULLICIÓN |
|---|---|---|---|
| CELSIUS | ºC | 0 ºC | 100 ºC |
| FAHRENHEIT | ºF | 32 ºF | 212 ºF |
| KELVIN | ºK | 273 ºK | 373 ºK |
Para calcular las escalas:
Recuerde
La temperatura mide la energía térmica de una sustancia.
Cuando dos cuerpos con diferente temperatura se ponen en contacto, al cabo de un tiempo se observa que ambos acaban teniendo la misma temperatura, ya que el cuerpo más caliente transmite calor al más frío; es decir, ha habido una transferencia de energía entre ambos cuerpos. Cuando ambos cuerpos han alcanzado la misma temperatura, cesa la transmisión de energía. Esa energía transferida recibe el nombre de calor.
Nota
La temperatura no es energía, sino una medida de ella, pero el calor sí es energía.
El calor es una forma de energía y sus unidades de medidas son el Joule (J) y la caloría (cal).
Definición
Caloría
Es la cantidad de calor que debe extraerse o transferirse a un gramo de agua para modificar su temperatura en 1 ºC.
La equivalencia entre ambas unidades es:
Actividades
5. Buscar el esquema del climatizador de dos fabricantes de vehículos diferentes y anotar las diferencias.
6. Buscar el esquema del climatizador multizona de dos fabricantes de vehículos distintos y anotar las diferencias que tengan.
La materia presenta tres estados diferentes: sólido, líquido y gaseoso. El estado en que se encuentra la sustancia depende de su energía interna, pudiendo pasar de un estado a otro cuando gana o pierde energía. Estas transformaciones se denominan cambio de estado.
En la siguiente imagen se pueden ver los procesos de transformación que tienen lugar entre los diferentes estados de la materia.
Se denomina calor específico a la cantidad de calor que debe ganar o perder un kilogramo de una sustancia para que su temperatura varíe 1 ºC. El calor específico es una propiedad de cada sustancia.
Se define calor sensible como la cantidad de calor que hay que aportar a un cuerpo para que su temperatura se eleve, pero sin que cambie de estado.
Ejemplo
El calor que se aporta a un líquido para llevarlo hasta el punto de ebullición.
Se define calor latente como la cantidad de calor que hay que aportar a un cuerpo para que cambie de estado. En este cambio de estado no se produce un aumento de la temperatura.
Ejemplo
Se llena un recipiente con agua del grifo, que está a temperatura ambiente, y se pone a calentar. La cantidad de calor que absorbe el agua para pasar de la temperatura ambiente hasta 100 ºC sería el calor sensible. Al llegar a 100 ºC, el agua empezaría a bullir, aunque seguiría siendo agua a 100 ºC. Pero como la aportación de calor continúa, se produce un cambio de estado y el agua se convierte en vapor. A 100 ºC se tendría, tanto agua a 100 ºC, como vapor a 100 ºC. Si se continúa la aportación de calor, el vapor de agua seguiría calentándose, con lo que aumentaría su calor sensible.
La física define la presión como la magnitud que mide la fuerza que actúa sobre la unidad de superficie. La unidad de medida de presión en el Sistema Internacional es el pascal (Pa), que equivale a una fuerza de 1 newton (N) aplicada sobre una superficie de 1metro cuadrado (m²).
El caso más claro está en la atmósfera, que ejerce presión sobre la tierra y sobre todo lo que hay en ella. Aunque no se sea consciente de ello, toda la capa de aire tiene un peso (el peso es una fuerza) que se aplica sobre la superficie, y esta fuerza aplicada sobre esa superficie es una presión, que por ser ejercida por la atmósfera recibe el nombre de presión atmosférica (P0). Como la columna de aire sobre la tierra no tiene siempre el mismo espesor, se toma como referencia de presión atmosférica la medida a nivel del mar y en condiciones atmosféricas normales. Se mide con barómetros.
La presión relativa (Pr) es la que se ejerce sobre un objeto, y que se mide con referencia a la presión atmosférica. La presión se mide con manómetros. Cuando la presión medida está por encima de la presión atmosférica, se tiene una presión relativa o presión positiva. Cuando es inferior, se está hablando de vacío.
Sabía que...
Cuando los manómetros no están conectados marcan cero, es decir, a presión atmosférica, los manómetros marcan cero.
La presión absoluta (Pab) corresponde a la presión medida con respecto al cero absoluto, es decir, al vacío perfecto que se produciría cuando la presencia de moléculas en estado gaseoso o su velocidad son tan pequeñas que no pueden producirse choques entre ellas. Se obtiene sumando la presión atmosférica y la relativa. Es importante porque el origen de medida es el cero absoluto y no la presión atmosférica, que puede variar entre dos puntos a distinta altitud.
Es interesante conocer también el concepto de presión diferencial o diferencia entre dos presiones.
Sabía que...
El vacío es la diferencia de presiones existente entre la presión atmosférica existente y la presión absoluta.
Aunque la presión se mide en pascales (Pa), existen otras unidades de medida: el bar (bar), el kilopondio (Kp), la atmósfera (atm) y el torr (Torr).
Nota
Algunas de estas medidas son exclusivas para la medida de presión de líquidos, como la atm y el Torr.
En cuanto a los instrumentos usados para la medición de estas presiones:
Existen tres variables que sirven para determinar las condiciones que presenta una cantidad de gas en un momento determinado: la presión absoluta, su volumen específico y la temperatura absoluta. Están relacionadas entre ellas por diferentes leyes, de forma que conociendo dos es posible hallar la tercera.
Nota
El volumen específico es el volumen que ocupa la unidad de masa de un material.
Ley de Boyle: según esta ley, a temperatura constante, la presión de un gas dentro de un recipiente cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente.
Siendo: P = presión y V = volumen.
El volumen que ocupa una masa definida de gas es inversamente proporcional a su presión. Por tanto, si durante un proceso, dentro de un recipiente cerrado, un fluido que se encuentra inicialmente a una presión P1 y ocupa un volumen V1 experimenta un cambio hacia una presión P2 y un volumen V2, se cumple que:
Ejemplo
Una muestra de gas ocupa 12 l a una presión de 1,2 atm. ¿Cuál sería su volumen si se aumenta la presión a 2,4 atm?
Datos: P1 = 1,2 atm, V1 = 12 l, P2 = 2,4 atm, V2 = ?
Se despeja el valor de V2 de la fórmula: P1 · V1 = P2 · V2
Y se obtiene:
V2 = P1 · V1 / P2 = (1,2 atm) · (12 l) / (2,4 atm) = 6 l
Aplicación práctica
Una muestra de oxígeno ocupa 10 l a una presión de 790 Torr. ¿Qué presión sería necesaria para que ocupara 13,4 l a una temperatura constante?
SOLUCIÓN
P2 = P1 · V1 / V2, P2 = (790 Torr) · (10 l) / (13,4 l) = 590 Torr.
Ley de Charles: a una presión dada, el volumen ocupado por cierta cantidad de gas es directamente proporcional a su temperatura.
Siendo: T = temperatura y V = volumen.
Así, cuando aumenta la temperatura de un gas también aumenta su volumen, debido a que aumenta la movilidad de sus moléculas, pero lo que se mantiene a presión constante es la relación entre el volumen y la temperatura. Si V1 y T1 son las condiciones iniciales, y V2 y T2 las finales, se cumplirá que:
O también:
Ley de Gay-Lussac: establece la relación entre la presión y la temperatura cuando un gas se encuentra en un recipiente de volumen constante. En estas condiciones, la presión de una cierta de cantidad de gas es directamente proporcional a la temperatura.
Siendo: P = presión y T = temperatura.
Esto es así porque, como al calentar una cierta cantidad de gas, su movilidad aumenta, también lo hace el número de choques contra las paredes del recipiente, que no puede cambiar de volumen, ya que se ha tomado como constante. Si se parte de unas condiciones iniciales que son P1 y T1, y las condiciones finales son P2 y T2, se cumplirá que:
Ley de Avogadro: relaciona la cantidad de gas y el volumen que ocupa cuando la presión y la temperatura permanecen constantes. Según esta ley, el volumen es directamente proporcional a la cantidad de gas.
Siendo: V = volumen y n = cantidad de gas.
Si un recipiente de volumen V1 contiene una cantidad de gas n1 y se aumenta esa cantidad hasta n2, al haber más moléculas en el interior del recipiente, el número de choques entre ellas aumentaría y, por tanto, también lo haría la presión, pero como se ha establecido que la presión y la temperatura son constantes, debe producirse un incremento del volumen hasta V2 para que el número de choques disminuya y la presión se mantenga en los valores establecidos, con lo que se cumplirá:
Ley de los gases ideales: la presión que ejerce un gas sobre el recipiente en el que está contenido, el volumen que ocupa, la temperatura y su cantidad están relacionados. Las leyes anteriormente estudiadas lo han mostrado.
A partir de estas leyes se puede establecer una ecuación que relaciona todas estas variables y que es conocida como ecuación de estado de los gases ideales, que se representa así:
Definición
Gas ideal
Aquel en el que todas sus partículas son puntuales, ni se atraen ni se repelen y, además, el choque entre ellas es perfectamente elástico.
Siendo: P = presión, V = volumen, n = número de moles, R = constante universal de los gases ideales y T = temperatura.
Nota
Mol es la unidad que en el Sistema Internacional de unidades se emplea para medir la cantidad de una sustancia.
El valor de R se determina experimentalmente y tiene un valor de 0,082 atm·l/mol·K.
Estas leyes son de importancia para comprender el funcionamiento de algunos elementos y del propio circuito de climatización, ya que se aplican a los gases que se tratan en este manual, y hay que tener siempre presente lo que le ocurre al volumen de un gas si se le aplica una presión, se varía la temperatura, etc.
Los procesos que tienen lugar en el circuito de climatización se pueden representar de forma gráfica en un diagrama cuyos ejes corresponden a la presión y la entalpía llamado diagrama de Mollier. En este diagrama se distinguen tres zonas delimitadas por una curva de saturación.
Las presiones (absolutas) se representan en el eje vertical y la entalpía (energía total), representada en calorías por kg, sobre el eje horizontal.
Nota
La entalpía representa la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con el entorno, es decir, la cantidad de energía que puede absorber o ceder.
La curva de saturación limita el estado en el que se encuentra el compuesto. A la izquierda de la curva, que tiene forma de campana invertida, el compuesto se encuentra en estado líquido. Dentro de la campana hay mezcla de vapor y líquido, y a la derecha de la campana está en estado de vapor sobrecalentado.
En este ciclo se pueden observar las siguientes etapas:
Con este diagrama se pueden realizar fácilmente cálculos de los sistemas de refrigeración.
Cuando el fluido frigorífico se mueve dentro del climatizador, se ve sometido a cambios de presión. Así, en el compresor aumenta la presión a la que está sometido, mientras que en la válvula de expansión la presión disminuye.
Nota
También se ve sometido a cambios de entalpía en los intercambiadores (el evaporador y el condensador).
En este capítulo se ha visto la parte correspondiente a generalidades relacionadas directa o indirectamente con los sistemas de climatización.
Se han conocido qué factores influyen en la temperatura que recoge un vehículo, que acumula o genera debido al material, el color, etc.; y de lo que está fabricado o compuesto dicho vehículo.
Asimismo, se han estudiado las escalas y las unidades de los distintos sistemas de medición que afectan en el funcionamiento correcto de un climatizador.
1. ¿Cuál es la función o misión más importante de la climatización?
2. ¿Cuál es la temperatura ideal para conducir?
3. ¿Cuándo se generan las cargas internas?
4. ¿De qué depende principalmente la confortabilidad?
5. Resuelva la siguiente sopa de letras:
Calor - Diagrama - Externa - Invierno - Latente - Misión - Mollier - Multizona - Sensible - Sistema - Calor
6. ¿Cuál de los siguientes no es un proceso del climatizador?
7. ¿Qué ventaja tienen los cristales atérmicos?
8. ¿Qué significa “climatizador bizona”?
9. ¿En qué unidad se mide el calor?
10. ¿Qué ley de los gases establece que, a temperatura constante, la presión de un gas dentro de un recipiente cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente?