Aire acondicionado y Refrigeración automotriz

Unidad 1: Fundamentos de Refrigeración Automotriz

Tema 1:  Antecedentes y Conceptos Básicos de la Refrigeración  Automotriz.

 Antecedentes.•

•

•

•

En 1842, Lord Kelvin inventó el principio del aire acondicionado. Con el objetivo de conseguir un ambiente agradable y sano, el científico creó un circuito frigorífico hermético basado en la absorción del calor a través de un gas refrigerante. En 1902, el estadounidense Willis Haviland Carrier sentó las bases de la refrigeración moderna y, al encontrarse con los problemas de la excesiva humidificación del aire enfriado, las del aire acondicionado, desarrollando el concepto de climatización de verano. En 1921, Willis Haviland Carrier patentó la máquina de refrigeración centrífuga. También conocida como enfriadora centrífuga o refrigerante centrifugado, fue el primer método para acondicionar el aire en grandes espacios. En 1928, Willis Haviland Carrier desarrolló el primer equipo que enfriaba, calentaba, limpiaba y hacía circular el aire para casas y departamentos, pero la Gran Depresión en los Estados Unidos puso punto final al aire acondicionado en los hogares. Las ventas de aparatos para uso

 Antecedentes.-

La historia del aire acondicionado automotor. Los primeros autos no eran precisamente cómodos; sus neumáticos delgados e interiores alfombrados proporcionaban un paseo muy incómodo. En el invierno los pasajeros se abrigaban, y en verano el aire acondicionado era el resultado de la brisa que soplaba al viajar a 15 mph. Nada es más caliente que el interior de un auto, por lo que cuando los fabricantes de autos comenzaron a cerrar las cabinas, era obvio que se debía hacer algo con dicho calor; al principio se colocaron aberturas en el piso, pero esto trajo más polvo y sucio que aire acondicionado. •

•

En 1884 William Whiteley tuvo la gran idea de colocar cubos de hielo en un contenedor debajo de la cabina de los carruajes y soplar aire adentro por medio de un ventilador conectado al eje. Una cubeta cerca de las aberturas del piso fue el equivalente en el automóvil; luego vino un sistema de enfriamiento por evaporación llamado Wheater  Eye (Ojo climático), en el que se producía un efecto de disminución de la temperatura en el aire haciéndolo pasar sobre agua. Dicho sistema todavía se encuentra disponible en las VAN y los RV. Este sistema fue inventado por una compañía llamada Nash.

 Antecedentes.-

•

•

El primer auto con un sistema de refrigeración como los actuales fue el Packard 1939, en el que una espiral enfriadora, que no era más que un evaporador muy largo que envolvía toda la cabina, y cuyo sistema de control era el interruptor de un ventilador. Luego vino Cadillac, que produjo 300 autos con aire acondicionado en 1941. Estos primeros sistemas de aire acondicionado tenían una gran desventaja, no existía un embrague en el compresor, por lo que éste siempre estaba encendido mientras en auto estaba en funcionamiento, y para apagar el sistema, se tenía que parar el auto, salir de éste, abrir el capó y quitar la correa del compresor. No fue sino hasta después de la Segunda Guerra Mundial que Cadillac promocionó una nueva característica: controles para el aire acondicionado. Estos controles estaban localizados en el asiento trasero, por lo que el conductor debía estirarse hacia el asiento trasero para apagar el sistema, pero aún así era mejor que apagar el carro y desconectar la correa del compresor.

 Antecedentes.•

•

Los sistemas de aire acondicionado fueron por muchos años una opción no muy común. No fue sino hasta 1966 que el Motor Seviche Manual publicó que se habían vendido 3 560 000 unidades de aire acondicionado para automóviles que las ventas de autos con la opción de aire acondicionado se dispararon. Para 1987 el número de unidades de aire acondicionado vendidas fue de 19 571 000. En la actualidad se estima que el 80% de los carros y camiones pequeños en uso poseen unidades de aire acondicionado. El aumento de unidades de aire acondicionado instaladas el los autos en los 70s y los 80s se debió a que a finales de los 70s, en los Estados Unidos las personas comenzaron a mudarse hacía estados más calurosos. Luego las personas que compraban autos deseaban que éstos estuviesen equipados con todas las opciones disponibles. Los vendedores hacían más dinero con estas opciones extras, por lo que comenzaron a incluir equipos de aire acondicionado como una característica básica y no como una opción, a pesar de ser una de las características más caras. Con el tiempo las unidades de aire acondicionado fueron mejorando, por lo que los conductores no tuvieron que preocuparse por el calor que pasaban debido a que sus unidades de aire acondicionado no funcionaban bien.

 Antecedentes.-

•

Hoy día, las unidades de aire acondicionado son muy eficientes, con sistemas modernos como el ATC (Control automático de temperatura, por sus siglas en inglés), que es más confiable que los viejos termostatos. Las computadoras a bordo también se aseguran que tanto el conductor como los pasajeros se sientan cómodos.

Las unidades de aire acondicionado automotoras están evolucionando continuamente, ahora hay más diseños de compresores y nuevos componentes electrónicos que mejoran la eficiencias de estos equipos; y no solo los componentes están evolucionando, por parte de los refrigerantes, los CFC (clorofluorocarbonos, también conocidos como R 12 o freón) están siendo reemplazados por otros gases refrigerantes como el R 134, que no contiene cloro, debido a que son contaminantes, especialmente dañinos para la capa de ozono.

 –

 –

Conceptos Básicos.-

Conceptos Básicos.El Aire Acondicionado o Acondicionamiento de Aire es un proceso de tratamiento del aire ambiente que permite regular en un local cerrado la temperatura del mismo (calefacción o refrigeración), la humedad, la limpieza (renovación o filtrado) y el movimiento del aire. La Temperatura es una medida de la actividad térmica en un cuerpo. Esta actividad depende de la velocidad de las moléculas y demás partículas de las cuales se compone toda materia.

Calor: Es la forma de energía que se transmite de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura. La unidad del calor que se establece en el sistema ingles es el BTU (British Thermal Unit). Se define a la BTU como la cantidad de calor  necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua a un grado Fahrenheit (F ) a 59° F. La unidad del calor que se establece en el sistema internacional es la caloría, siendo la cantidad de calor que debe suministrarse a 1 g de agua, a la presión atmosférica, para elevar su temperatura de 14.5°C a 15.5°C

1 kcal = 4187 J = 3.96 B.T.U.

La Entalpia (H) se le conoce como la energía almacenada en forma de temperatura y presión. En la Industria del aire acondicionado y refrigeración se acostumbra usar la frase Contenido de Calor  para designar lo mismo que la entalpia. En el sentido estricto del calor es una forma de energía que fluye hacia el interior y el exterior de un cuerpo, y la entalpia o contenido de calor es una forma de energía almacenado en un cuerpo. Al ser una forma de energía, la entalpia puede, por  lo tanto medirse en BTU.

Conceptos Básicos.-

Calor Latente: El Calor de cambio de estado, es la energía requerida por una sustancia para cambiar de estado, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización). Al cambiar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido se libera la misma cantidad de energía.

Calor Sensible: es aquel que recibe un cuerpo o un objeto y hace que aumente su temperatura sin afectar su estructura molecular y por lo tanto su estado.

Calor Latente y Sensible en los Estados de la Materia

Líquidos, Vapores y el Cambio de Estado.-

Puntos Claves.•

•

Relación de dependencia entre la temperatura de ebullición y la presión. Estados Saturado Subenfriado y Sobrecalentado.

El Vapor Saturado es vapor a la temperatura de ebullición, y el Liquido Saturado es liquido a la temperatura de ebullición. Cuando la temperatura del vapor es mayor que la temperatura de saturación, o un punto de ebullición, se dice que es Vapor Sobrecalentado. Cuando la temperatura del liquido es menor que su temperatura de saturación, se dice que es Liquido subenfriado.

Leyes del Gas Ideal (o Perfecto).Bajo ciertas condiciones, la presión, el volumen y la temperatura de los gases se relacionan por una ecuación que se llama la ley del gas ideal, o ley de los gases perfectos. El aire a las temperaturas y presiones que se manejan en acondicionamiento de aire siguen esta ecuación. Una forma de la ecuación de gas ideal es:  = 

Donde:  = Presión del gas, / 2 absolutas  = Volumen del gas,   3  = Peso del gas,   = La contante del gas  = La temperatura absoluta, grados Rankine (°R)

Transferencia de Calor.La convección es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por  intermedio de un fluido (aire, agua) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección  se produce únicamente por medio de materiales fluidos. Estos, al calentarse, aumentan de volumen y, por lo tanto, su densidad disminuye y ascienden desplazando el fluido que se encuentra en la parte superior y que está a menor temperatura. Lo que se llama convección  en sí, es el transporte de calor por medio de las corrientes ascendente y descendente del fluido.

En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la Conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por  conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor. En 1822, el matemático francés Joseph Fourier dio una expresión Matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor. Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado).

La Radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica. En 1905, Albert Einstein sugirió que la radiación presenta a veces un comportamiento cuantizado: en el efecto fotoeléctrico, la radiación se comporta como minúsculos proyectiles llamados fotones y no como ondas. La naturaleza cuántica de la energía radiante se había postulado antes de la aparición del artículo de Einstein, y en 1900 el físico alemán Max Planck empleó la teoría cuántica y el formalismo matemático de la mecánica estadística para derivar una ley fundamental de la radiación. La expresión matemática de esta ley, llamada distribución de Planck, relaciona la intensidad de la energía radiante que emite un cuerpo en una longitud de onda determinada con la temperatura del cuerpo. Para cada temperatura y cada longitud de onda existe un máximo de energía radiante. Sólo un cuerpo ideal (cuerpo negro) emite radiación ajustándose exactamente a la ley de Planck. Los cuerpos reales emiten con una intensidad algo menor

Tema 2: Ciclo de Carnot

La Máquina de Carnot. La máquina de Carnot puede pensarse como un cilindro con un pistón y una biela que convierte el movimiento lineal del pistón en movimiento circular. El cilindro contiene una cierta cantidad de un gas ideal y la máquina funciona intercambiando calor entre dos fuentes de temperaturas constantes T1 < T2. Las transferencias de calor entre las fuentes y el gas del cilindro se isotérmicamente, hace es decir, manteniendo la temperatura constante lo cual hace que esa parte del proceso sea reversible. El ciclo se completa con una expansión y una compresión adiabáticas, es decir, sin intercambio de calor, que son también procesos reversibles.

La máquina funciona así: 1) Expansión isotérmica. Se parte de una situación en que el gas ocupa el volumen mínimo Vmin y se encuentra a la temperatura T2 y la presión es alta. Entonces se acerca la fuente de calor de temperatura T2 al cilindro y se mantiene en contacto con ella mientras el gas se va expandiendo a consecuencia de la elevada presión del gas. El gas al expandirse tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T2 y así  mantiene su temperatura constante durante esta primera parte de la expansión. El volumen del gas aumenta produciendo un trabajo sobre el pistón que se transfiere al movimiento circular. La temperatura del gas permanece constante durante esta parte del ciclo, por tanto no cambia su energía interna y todo el calor absorbido de T2 se convierte en trabajo. dQ 1 = dW1 >= 0 , dU1 = 0 2) Expansión adiabática. La expansión isotérmica termina en un punto preciso tal que el resto de la expansión, que se realiza adiabáticamente (es decir sin intercambio de calor, el cilindro se mantiene totalmente aislado de cualquier fuente de calor), permite que el gas se enfríe hasta alcanzar exactamente la temperatura T1 en el momento en que el pistón alcanza el punto máximo de su carrera y el gas su alcanza su volumen máximo Vmax. Durante esta etapa todo el trabajo realizado por el gas proviene de su energía interna. dQ 2 = 0 , dU2 = dW2 >= 0

3) Compresión isotérmica. Se pone la fuente de calor de temperatura T1 en contacto con el cilindro y el gas comienza a comprimirse pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fría T2. Durante esta parte del ciclo se hace trabajo sobre el gas, pero como la temperatura permanece constante, la energía interna del gas no cambia y por tanto ese trabajo es absorbido en forma de calor por la fuente T1. dQ 3 = dW3