Características Del A/c Automotriz 3z6568

CAPÍTULO I PRECISAR LOS ELEMENTOS A UTILIZARSE PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE AIRE ACONDICIONADO AUTOMOTRIZ BASADO EN EL EFECTO PELTIER

1.1

Inicios del aire acondicionado en vehículos

En 1842 el científico Lord Kelvin inventó el principio del aire acondicionado con el fin de obtener una temperatura ambiente confortable y sana basándose en el fenómeno de la absorción del calor mediante la acción de un gas refrigerante, para aquello tomó en cuenta 3 principios

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El calor siempre fluye desde una región con temperatura más alta a otra región con temperatura más baja.- Este fenómeno de transferencia de calor se puede comprobar al momento de calentar una varilla metálica por varios minutos, después de eso veremos que el extremo que estaba completamente frio empieza a calentarse absorbiendo la energía que se transmite desde el punto caliente

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El cambio de estado del líquido a gas absorbe calor. Esto sucede por la evaporación de un líquido que no necesariamente haya llegado a su punto de ebullición si no por un mínimo cambio de temperatura ya sea del ambiente o por una variación de presión. Un pequeño ejemplo para comprobar lo dicho es humedecer la mano en alcohol, al momento en que este se evapora se siente frío, debido a que absorbe el calor de nuestra mano La presión y la temperatura están directamente relacionadas.- Este es un principio de las leyes de los gases específicamente la de Gay Lussac quien postula que “la presión de una masa fija de un gas, es directamente proporcional a la temperatura Kelvin” (Gerald Holton, 2004, p472). Dicho esto podemos comprender la razón por la cual en un sistema de aire acondicionado deben existir cambios de presión internamente y de una manera constante. Estos cambios de temperatura y presión constantes permitirán que el sistema de acondicionamiento enfríe el aire -

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En la década de los 40, Packard había implementado estos sistemas en 1500 de sus vehículos, el diseño no era más que un evaporador alargado y que ocupaba todo el baúl del vehículo teniendo como inconvenientes olores desagradables y que cuando condensaba mojaba a los pasajeros de atrás Figura 1.0.1. Packard

Por otro lado en 1941 Cadillac optó Fuente: http://www.fierrosclasicos.com/ por incluir estos sistemas en sus vehículos, el gran inconveniente que presentaban los mismos era que el compresor no tenía un embrague para que desacople su funcionamiento y siempre estaba trabajando a la par con el motor por lo cual el conductor debía bajarse del vehículo y quitar la banda del compresor para que dejase de trabajar

No fue sino hasta 1954 que GM desarrolló sistema de enfriamiento asequible que se ubicaba en la parte delantera del vehículo, contaba con controles de mando independientes aparte de un compresor con embrague magnético que permitía desactivar su funcionamiento cuando el así lo quería, dicho sistema estaba disponible para los Pontiac 1954 8V, esto hizo que la producción en masa sea viable. A finales de los 70s el aire acondicionado en los vehículos cada vez era más común y ya no una rareza privilegio de unos pocos. Después del estudio realizado en 1985 en la Antártida sobre la disminución de la capa de ozono, mediante el protocolo de Montreal se tomó la decisión de prohibir el uso del freón en los sistemas de climatización. A partir de 1995 se dictamina que todo vehículo que fuese equipado con un sistema de aire acondicionado debería usar el gas refrigerante R134a ya que este gas es un poco más amigable con el ambiente. En la actualidad se siguen buscando alternativas para reemplazar este tipo de gas, como son el CO2 o los HFO que de no ser peligrosos para la seguridad de los s ni del medioambiente, reemplazaría totalmente al R314a a partir del 2017.

1.2. Descripción del sistema de aire acondicionado Este es un sistema que se encarga de adecuar el aire que ingresa al habitáculo del vehículo para brindar un ambiente más confortable para los ocupantes y de seguridad para el conductor pues mejora su capacidad de conducción. Dicho sistema consta de varios elementos que hacen posible el enfriamiento del aire 2

que ingresará al vehículo y estos son - Un compresor llamado muchas veces el corazón del sistema y no es para menos pues es el encargado de comprimir el gas refrigerante para que se puedan cumplir las fases de enfriamiento del sistema, es accionado por bandas en la mayoría de los casos o eléctricamente en vehículos híbridos y eléctricos Figura 1.0.2 compresor A/C Fuente: buenosmecanicos.com

- Un condensador ubicado en la parte delantera en la mayoría de vehículos, adopta esta posición debido a que necesita una buena circulación de aire para enfriar el gas proveniente el compresor; cumple la función de disipar el calor generado por la compresión del gas refrigerante, su diseño es similar al del radiador puesto que cumplen la misma función pero con diferentes fluidos. Internamente ocurre la condensación del gas para que posteriormente sea dirigido hacia las líneas de alta presión e ingrese al evaporador - El evaporador está ubicado en el interior del tablero del automóvil es el que hace posible el enfriamiento del aire que ingresa al habitáculo, como su nombre lo indica es el encargado de evaporar el gas mediante un proceso de expansión que lo realiza una válvula cuadrada o capilar dependiendo del diseño. El proceso de enfriamiento se realiza cuando la presión de gas proveniente del condensador la cual Figura 1.3. Evaporador puede variar de 150 a 175 psi Fuente: aproximadamente ingresa a la válvula de http://www.grupoautocomfort.com/ expansión la cual atreves de un orificio reducido expande el gas para que de una manera brusca baje su presión a 30 psi y por ende su temperatura a 0°C. El aire caliente que ingresa desde el exterior permite que el gas se evapore más rápido y así el enfriamiento del mismo se reduzca hasta -15°C en el mejor de los casos

Otros elementos complementan el sistema como son las líneas de circulación del gas de alta y baja presión, ventiladores para mejor disipación en el condensador, filtros acumuladores y disecantes, controladores internos de temperatura, trompos reguladores de presión; así también en los sistemas más modernos 3

(climatizados), cuyo adecuamiento de la temperatura del habitáculo se puede controlar automáticamente existen diferentes tipos de sensores como son Sensor de luz.- De acuerdo a la intensidad de luz exterior regula la temperatura que a la que debe mantenerse el interior del vehículo, dependiendo del sistema pueden existir dos en el de control o uno en el centro del mismo. - Sensor de temperatura externa.- Este sensor censa la temperatura exterior para regular los tiempos de trabajo del compresor, así mantiene una temperatura adecuada del habitáculo y verifica que el funcionamiento del sistema sea óptimo Sensor de impurezas.- Este sensor detecta la cantidad y el tipo de impurezas que existan en el ambiente y que sean potencialmente dañinas para la salud conductor; dependiendo de los datos obtenidos, de ser pertinente este sensor permite el funcionamiento del aire acondicionado, caso contrario no lo hace hasta que detecte que el peligro haya disminuido en su totalidad -

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1.3.

Importancia del aire acondicionado

El aire acondicionado tiene su importancia puesto que la temperatura en el interior del vehículo debe ser adecuada para que la concentración del conductor en el camino sea la óptima, además el equipo de aire acondicionado, limpia, hace circular y controla el contenido de humedad del aire en el interior de los vehículos. En condiciones ideales, logra todo esto de manera simultánea.

El filtro de habitáculo protege de toda polución que diariamente y, sin darse cuenta, se respira en el interior del vehículo: polvo, hollín, gases de combustión de otros vehículos, bacterias, esporas, etc., Estas macropartículas son una de las causas más probables del incremento de alergia y otros tipos de afecciones respiratorias que sufre nuestra sociedad en los tiempos actuales. Para hacernos una idea más clara, la concentración de polvo en la atmósfera, y la proporción de los distintos tipos de partículas nocivas que lo componen, depende de las condiciones meteorológicas y de las características sociodemográficas de cada lugar

Dependiendo de estos factores, se estima que por término medio hay de 10 a 80 billones de partículas flotando por cada metro cúbico de aire que respiramos.

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1.4.

Antecedentes de los refrigerantes

En la década de 1920, el doctor Thomas Midgley sintetizó químicamente diversos componentes, que estaban estrechamente relacionados. En general, todos estos componentes contenían cloro, carbono y flúor (CFC). Algunos contenían, adicionalmente, hidrógeno (HCFC). El objetivo consistía en producir un compuesto químico que se condensase o se evaporase aproximadamente a 0°C, tuviese la suficiente capacidad calorífica por Kg. de gas, funcionase a presiones que pudiésemos contener y no fuese ni inflamable ni venenoso.

En 1928, el doctor Midgley anunció un compuesto, denominado desde entonces R-12, y así nació la refrigeración por compresión moderna. Durante el lanzamiento de este gas, demostró su seguridad extinguiendo una llama con él e inhalándolo. Este hito marcó el inicio del control de la temperatura. La vida mejoró sustancialmente para aquellas personas que podían permitirse esta nueva tecnología.

1.5.

Efecto termoeléctrico

El efecto termoeléctrico es la conversión directa de la diferencia de temperatura a voltaje eléctrico y viceversa. Un dispositivo termoeléctrico crea un voltaje cuando hay una diferencia de temperatura a cada lado. Por el contrario cuando se le aplica un voltaje, crea una diferencia de temperatura (conocido como efecto Peltier). A escala atómica (en especial, portadores de carga), un gradiente de temperatura aplicado provoca portadores cargados en el material, si hay electrones o huecos, para difundir desde el lado caliente al lado frío, similar a un gas clásico que se expande cuando se calienta; por consiguiente, la corriente es inducida termalmente. Este efecto se puede usar para generar electricidad, medir temperatura, enfriar objetos, o calentarlos o cocinarlos. Porque la dirección de calentamiento o enfriamiento es determinada por el signo del voltaje aplicado, dispositivos termoeléctricos producen controladores de temperatura muy convenientes. Tradicionalmente, el término efecto termoeléctrico o termoelectricidad abarca tres efectos identificados separadamente, el efecto Seebeck, el efecto Peltier, y el efecto Thomson. En 5

muchos libros de texto, el efecto termoeléctrico puede llamarse efecto Peltier-Seebeck. Esta separación proviene de descubrimientos independientes del físico Francés Jean Charles Athanase Peltier y del físico Estonio-Alemán Thomas Johann Seebeck. El Efecto Joule, el calor generado cuando se aplica un voltaje a través de un material resistivo, es fenómeno relacionado, aunque no se denomine generalmente un efecto termoeléctrico (y se considera usualmente como un mecanismo de pérdida debido a la no idealidad de los dispositivos termoeléctricos). Los efectos Peltier-Seebeck y Thomson pueden en principio ser termodinámicamente reversibles, mientras que el calentamiento Joule no lo es. 1.5.1.Efecto de Seebeck

El efecto Seebeck es la conversión de diferencias de temperatura directamente a electricidad. Seebeck descubrió que la aguja de una brújula se desviaba cuando se formaba un circuito cerrado de dos metales unidos en dos lugares con una diferencia de temperatura entre las uniones. Esto se debe a que los metales responden diferentemente a la diferencia de temperatura, creando una corriente de circuito, que produce un campo magnético. Seebeck, aun así, en ese momento no reconoció allí una corriente eléctrica implicada, así que llamó al fenómeno el efecto termomagnético, pensando que los dos metales quedaban magnéticamente polarizados por el gradiente de temperatura. El físico Danés Hans Christian Ørsted jugó un papel vital en la explicación y concepción del término “termoelectricidad”. El efecto es que un voltaje, la FEM termoeléctrica, se crea en presencia de una diferencia de temperatura entre dos metales o semiconductores diferentes. Esto ocasiona una corriente continua en los conductores si ellos forman un circuito completo. El voltaje creado es del orden de varios microvoltios por kelvin de diferencia. Una de esas combinaciones, cobreconstantán, tiene un coeficiente Seebeck de 41 microvoltios por kelvin a temperatura ambiente 1.5.2.Efecto de Peltier

El efecto Peltier es una propiedad termoeléctrica descubierta en 1834 por Jean Peltier, trece años después del descubrimiento del mismo fenómeno, de forma independiente, por Thomas Johann Seebeck. El efecto Peltier hace referencia a la creación de una diferencia de temperatura debida a un voltaje eléctrico. Sucede cuando una corriente se hace pasar por dos 6

metales o semiconductores conectados por dos “junturas de Peltier”. La corriente propicia una transferencia de calor de una juntura a la otra: una se enfría en tanto que otra se calienta. Una manera para entender cómo es que este efecto enfría una juntura es notar que cuando los electrones fluyen de una región de alta densidad a una de baja densidad, se expanden (de la manera en que lo hace un gas ideal) y se enfría la región. Cuando una corriente se hace pasar por el circuito, el calor se genera en la juntura superior (T2) y es absorbido en la juntura inferior (T1). A y B indican los materiales. Descripción[editar] Este efecto realiza la acción inversa al efecto Seebeck. Consiste en la creación de una diferencia térmica a partir de una diferencia de potencial eléctrico. Ocurre cuando una corriente pasa a través de dos metales diferentes o semiconductores (tipo-n y tipo-p) que están conectados entre sí en dos soldaduras (uniones Peltier). La corriente produce una transferencia de calor desde una unión, que se enfría, hasta la otra, que se calienta. El efecto es utilizado para la refrigeración termoeléctrica. Este efecto lleva el nombre de Jean-Charles Peltier (físico francés) quien lo descubrió en 1834, el efecto calórico de una corriente en la unión de dos metales diferentes. Cuando una corriente I se hace fluir a través del circuito, se produce calor en la unión superior (at T2)), y absorbido por la unión inferior (at T1)). 1.6.

Refrigeración termoeléctrica

1.7.

Análisis de los materiales a utilizarse

1.7.1.Células Peltier

1.7.2.Módulos HVAC

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1.7.3.Transistores de potencia

1.7.4.Componentes eléctricos complementarios

Bibliografía http://www.biocab.org/Transferencia_Calor.html http://refrigeracion-transporte.frigicoll.es/notas-de-prensa/breve-historia-de-losrefrigerantes-utilizados-en-los-sistemas-de-aire-acondicionado

http://www.elaireacondicionado.com/articulos/historia-del-aire-acondicionado

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