Mantenimiento de sistemas de climatización. TMVG0209

6. Bloqueo de la radiación solar por los cristales

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:

1 Vidrio laminado y templado tintado: el tintado hace de pantalla para las radiaciones solares, evitando un calor excesivo en el interior, aunque transmite un alto nivel de luminosidad. El cristal laminado está compuesto por un conjunto de una hoja de vidrio con una o más hojas de vidrio o productos plásticos unidos por uno o varios intercalarios. La principal característica de este cristal es que, cuando se rompe, no se desprenden trozos de cristal; esto se debe al laminado de plástico que lleva entre las hojas de vidrio, evitando así que salte a las personas que están cerca de él.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

1 Vidrio atérmico: mediante la tecnología electrocromática se oscurece con la incidencia de los rayos solares, impidiendo que gran parte de los mismos penetren en el interior del vehículo.

Vidrio atérmico

7. Esquema básico de un climatizador. Funciones de las compuertas

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.

8. Sistemas multizona o multicircuito

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

9. Escalas y unidades de temperatura

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:

Para calcular las escalas:

1 Para calcular los grados Fahrenheit (ºF): a la temperatura de grados centígrados (Celsius) hay que multiplicarle 9/5 y sumarle 32.

2 Para calcular los grados Kelvin (ºK): a la temperatura de grados centígrados (Celsius) hay que sumarle 273.

Recuerde

La temperatura mide la energía térmica de una sustancia.

10. El calor y sus unidades

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.

11. Cambios de estado. Calor sensible y latente

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.

12. Presión absoluta y relativa. Unidades de presión

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 (P_r) 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 (P_ab) 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:

1 Barómetro: este instrumento se usa para medir la presión atmosférica.

2 Manómetro: es el instrumento encargado de medir la presión de fluidos contenidos en un recipiente cerrado.

3 Tubo de Pitot: es el aparato que mide la presión total, siendo esta la suma de la presión estática y la presión dinámica.

13. Leyes fundamentales de los gases

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.

14. Ciclo frigorífico teórico sobre el diagrama de Mollier

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:

1 1. Compresión: partiendo del refrigerante en estado de vapor recalentado, la compresión del gas aumenta de presión y temperatura, aumentando su entalpía (energía total).

2 2. Condensación: se procede a enfriar el gas comprimido y caliente, se produce la condensación y pasa a fase líquida. Baja su entalpía.

3 3. Expansión: el líquido refrigerante a alta presión, al expandirse, baja la presión de golpe. Su entalpía no varía.

4 4. Evaporación: el refrigerante se encuentra en estado líquido, pero a baja presión y se necesita que pase a gas. Para realizar la evaporación debe absorber calor, y lo hace bajando su temperatura, aumentando así su entalpía, con lo que al final del ciclo vuelve a estar en forma de gas y baja presión, retornando al compresor para iniciar el ciclo.

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).