studied. KEYWORDS Automobile, air conditioning, coolant, environmental. Ingenierías , Enero-Marzo 2004, Vol.


VII, No. 22 21 ANTECEDENTES En la última década del ya pasado siglo XX, coin- cidiendo con un formidable desarrollo de la electró- nica y de la tecnología de nuevos materiales, tuvo lugar una verdadera revolución en el sector de la fabricación de automóviles. Las nuevas tecnologías permitían incorporar de serie y a costes relativamente bajos prestaciones que o bien antes no eran posibles por falta de desarrollo tecnológico o bien eran prohi- bitivas por su elevado costo.


Hoy por hoy, cualquier usuario de un vehículo está familiarizado con térmi- nos como sistema antibloqueo de frenos, control elec- trónico de tracción, dirección de asistencia variable o suspensiones hidroactivas, por citar sólo algunos ejemplos. Pues bien, en este nuevo concepto de automóvil, en el que destacan por encima de todo la seguridad y la confortabilidad , cobra especial inte- rés el acondicionamiento térmico del habitáculo. Efec- tivamente, el equipo de aire acondicionado o, mejor aún, el equipo de climatización, pasa por ser una exi- gencia indispensable cuando se adquiere un vehículo nuevo.


Un análisis del parque automovilístico a nivel mundial arroja cifras significativas que pueden lle- gar a ser preocupantes desde el punto de vista medioambiental. A la contaminación originada por las emisiones de los escapes se suma también el riesgo significativo de los refrigerantes que se han venido utilizando y que, de hecho, siguen en circulación en muchos países. Los refrigerantes utilizados en los equipos de aire acondicionado resultan ser agentes muy agresivos con la capa de ozono, además de contribuir de manera notable al efecto invernadero.


Su estabilidad en las capas altas de la atmósfera multiplica sin duda su poder de degradación del ozo- no estratosférico. Esta situación ha motivado la sus- titución de los refrigerantes clorados por otros com- puestos menos dañinos, como veremos. SISTEMAS DE CLIMATIZACIÓN Al igual que ocurre en la climatización de un lo- cal, donde es necesario estimar las ganancias y las pérdidas de calor, en función del coeficiente de trans- misión de calor de los diferentes cerramientos, de las cargas térmicas del interior y de las necesidades de ventilación, en el caso de los automóviles los ar- gumentos utilizados vienen a ser similares, con algu- nas salvedades obvias como son la reducción del es- pacio del habitáculo, el incremento de las necesida- des de renovación del aire o el calor transmitido des- de el motor.


Se hace necesario, pues, realizar un es- tudio exhaustivo que tenga en cuenta todas las ga- nancias potenciales de calor, en función del número máximo de ocupantes, así como las pérdidas, según se trate de calentar o refrigerar el ambiente del inte- rior del vehículo. Como en otros ciclos frigoríficos, en el caso del equipo de aire acondicionado de un automóvil, la re- frigeración se produce como consecuencia de la ex- pansión de un gas licuado a cierta presión. En el fun- cionamiento normal del ciclo el gas refrigerante au- menta de presión y temperatura en el compresor y posteriormente se enfría en el condensador, por el que se hace pasar en circulación forzada aire exte- Fig.


1. El confort y la seguridad son las prestaciones más valoradas en los automóviles modernos. Fig.


2. Circuito de climatización con regulación automática de la temperatura. Sistemas de climatización de automóviles.


Problemática... / Francisco Mata Cabrera 22 Ingenierías , Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No.


22 rior por medio de un ventilador axial. Una vez que pasa a través de la válvula de expansión, el líquido refrigerante se dirige al evaporador, donde absorbe calor procedente del aire interior del habitáculo y se evapora. Los nuevos modelos de automóviles incorporan un sistema de gestión automática de la temperatura del aire del interior del vehículo (Climatronic) me- diante un procesador que, recibiendo señales de una serie de sensores, evalúa y compara las temperatu- ras exterior e interior y se encarga de controlar los caudales de refrigerante, adaptando su presión y tem- peratura para mantener constante el nivel de con- fort térmico.


CARACTERIZACIÓN DE LOS REFRIGERANTES UTILIZADOS EN AUTOMOCIÓN Como se ha apuntado, el sistema empleado en la climatización de automóviles enfría mediante com- presión mecánica del fluido refrigerante, que se va- poriza absorbiendo calor a baja presión y se conden- sa cediendo calor a alta presión. El refrigerante más utilizado en equipos de clima- tización de automóviles ha sido el R-12. En menor medida también se han utilizado el R-22 y el R-502.


Los problemas medioambientales derivados de la destrucción de la capa de ozono que origina la pre- sencia de cloro en su composición han motivado su sustitución por el R-134a, introducido por DuPont y de características técnicas muy similares, pero prác- ticamente inocuo con la capa de ozono de la atmós- fera. Las propiedades exigibles a los gases refrigerantes, desde el punto de vista técnico, son las siguientes: " Bajo punto de ebullición. " Alto calor latente de vaporización para aumen- tar la eficiencia con menos cantidad de refrige- rante y, al mismo tiempo, reducir el tamaño re- lativo de los elementos de la instalación.


" Rango de presiones de condensación. Interesa que las presiones de condensación no sean muy altas, ya que de lo contrario las exigencias sobre el diseño del compresor deberían ser mayores. " Rango de presiones de evaporación.


Para evitar entradas de aire en el sistema las presiones de evaporación deben ser superiores a la presión atmosférica. " Temperatura de congelación del líquido. Debe ser inferior a las temperaturas de trabajo más bajas.


" Temperatura y presión críticas. Han de ser su- periores a las temperaturas y presiones de tra- bajo. " Bajo volumen específico, con el fin de reducir el tamaño del compresor y de las tuberías de co- nexión.


" Conductividad térmica. Cuanto más alto sea su valor menores serán los tamaños requeridos para el evaporador y para el condensador. " Baja viscosidad.


" Inactividad y estabilidad químicas. " Baja temperatura de descarga, a fin de no reca- lentar el compresor y aprovechar al máximo el condensador. " Baja relación de compresión para reducir el consumo de energía en el compresor.


En suma, los criterios utilizados para seleccionar el refrigerante se basan en sus propiedades de segu- ridad, a saber: " Debe ser químicamente inerte (no inflamable, no tóxico, no explosivo) tanto en estado puro como mezclado con aire en cierta proporción. " No debe reaccionar desfavorablemente con el aceite lubricante ni con cualquier material utili- zado en la construcción del equipo. " No debe reaccionar desfavorablemente con la humedad.


" No debe contaminar el aire en caso de fuga. La tabla I presenta los valores típicos de las dife- rentes propiedades físicas y químicas para los refrigerantes R-12 y R-134a. Sin duda alguna, la di- ferencia más significativa entre los dos gases estriba en su potencial de destrucción de la capa de ozono, que es prácticamente nulo en el caso del R-134a.


Las líneas actuales de investigación en refrigerantes para automoción se centran, por una parte, en diversas mezclas de HFC Sistemas de climatización de automóviles. Problemática... / Francisco Mata Cabrera Ingenierías , Enero-Marzo 2004, Vol.


VII, No. 22 23 (Hidrofluorocarburos) que reduzcan su tiempo de permanencia en la atmósfera y sus potenciales efec- tos nocivos sobre el medio ambiente y, por otra, en una nueva gama de refrigerantes ecológicos especí- ficos para las necesidades de los equipos de climati- zación de automóviles. Además, puesto que la solu- ción generalizada actualmente es el uso del R-134a, las empresas fabricantes realizan importantes esfuer- zos en investigación y desarrollo en el diseño del pro- pio circuito de refrigeración, tendentes a aumentar la eficiencia del proceso, de manera que se pueda disminuir la cantidad de fluido refrigerante por uni- dad.


Esto, junto con la mejora de la formación de los profesionales que deben manipular los equipos, pro- cediendo a su carga y descarga, conseguirá mitigar, aunque sólo en parte, los problemas medioambientales asociados. PROBLEMAS MEDIOAMBIENTALES Está probado que la capa de ozono de la atmós- fera actúa a modo de escudo frente a la radiación ultravioleta procedente del sol. También es una rea- lidad la reducción progresiva de la concentración de ozono, especialmente en determinadas zonas, moti- vada principalmente por la utilización de compues- tos CFC (Clorofluorocarburos) presentes tanto en aerosoles como en refrigerantes.


El cloro de los CFC actúa como catalizador de las reacciones de des- trucción del ozono (ciclo cloro catalítico del ozono), bajo la acción de la energía de la radiación solar, R-12R-134a Fórmula químicaCCl 2 F 2 CH 2 FCF 3 Peso molecular (g/mol)120.9102.0 Punto de ebullición (ºC)-29.8 -26.1 Punto de congelación (ºC)-158-101 Temperatura crítica (ºC)112101.1 Presión crítica (Bar) 41.1540.60 Volumen crítico (m 3 /kg)1.79 x 10e-31.95 x 10e-3 Densidad crítica (kg/m 3 )558511.7 Densidad del líquido (a 25ºC) (kg/m 3 ) 1310.9 1206 Tensión de vapor (a 25 ºC) (Bar) 6.51 6.66 Densidad del vapor saturado (kg/m 3 ) 6.315.26 Calor específico del líquido (25ºC) (kJ/kg.K) 0.98091.43 Calor específico del vapor (25 ºC) (kJ/kg.K) 0.67550.852 Calor de evaporación (kJ/kg) 135.25 217.1 Conductividad térmica (25 ºC) Líquido (W/m.K) Vapor (W/m.K) 70.19 x 10e-3 9.7 x 10e-3 82.45 x 10e-3 14.5 x 10e-3 Viscosidad (a 25 ºC y 1,013 bar) Líquido (N.s/m 2 ) Vapor (N.s/m 2 ) 0.258 x 10e-3 0.0125 x 10e-3 0.204 x 10e- 3 0.012 x 10e- 3 Tensión superficial (25 ºC) (N/m) 0.0090.0083 Solubilidad en el agua (a 25 ºC y 1,013 bar) (Peso %) 0.0280.15 Solubilidad del agua en el refrigerante (25 ºC) (Peso %) 0.0090.11 Límite de inflamabilidad en el aire NONO Potencial de destrucción del ozono 10 Tabla I. Propiedades físicas y quiímicas del R-12 y del R- 134a. 6 Sistemas de climatización de automóviles.


Problemática... / Francisco Mata Cabrera Agujero en la capa de ozono en la región antártica el día 7 de septiembre de 2003. 24 Ingenierías , Enero-Marzo 2004, Vol.


VII, No. 22 transformando dos moléculas de ozono en tres de oxígeno y dando lugar a una reacción en cadena. Cl 3 CF + hv (l < 230 nm) Cl 2 CF + ClD 2 Cl + 2 O 3 2 ClO + 2 O 2 2 ClO + 2 O 2 Cl + 2 O 2 Además, la presencia de estos compuestos en la atmósfera también contribuye al conocido efecto in- vernadero.


Dada la gravedad de este problema, las diferentes naciones comenzaron a plantear restric- ciones legales a la producción y comercialización de estas sustancias. Desde la firma del Protocolo de Montreal, en 1989, en el que se adoptaron compro- misos para reducir en un 50% las emisiones de ga- ses CFC, hasta el Protocolo de Kioto, de 1997, que supuso reducir prácticamente a cero las emisiones de gases invernadero, se han ido adoptando compro- misos cada vez más restrictivos a la utilización de estos compuestos. Es evidente que, en el caso que nos ocupa, el R- 12 es un magnífico refrigerante; ahora bien, su po- der de degradación y destrucción del ozono atmos- férico le ha hecho ser sustituido, como se comentó más arriba, por el R-134a, de similar eficiencia pero mucho menos agresivo con el medio ambiente.


No obstante, todos los HFC plantean problemas de efecto invernadero y han sido incluidos en el Protocolo de Kioto, de modo que su utilización se encuentra tam- bién sujeta a restricciones. La tabla II muestra los potenciales relativos de degradación de la capa de ozono y de efecto invernadero junto con la duración atmosférica media de algunos de los compuestos de carbono halogenados. Como se puede apreciar, la sustitución de los CFC por los HCFC (Hidroclorofluorocarburos) y HFC su- pone una reducción drástica de los efectos negati- vos sobre el medio ambiente, en términos de degra- dación de la capa de ozono y de efecto invernadero.


RECUPERACIÓN Y RECICLADO DE REFRIGERANTES Existen unos aparatos que además de realizar las funciones específicas para la carga del equipo de climatización del vehículo permiten recuperar el re- frigerante, cuando se vacía un equipo, reciclarlo y dejarlo disponible para usos posteriores. Son las de- nominadas estaciones automáticas de recuperación, reciclado y carga del refrigerante. Un vez recuperado el refrigerante, se recicla, re- duciendo la presencia de los elementos contaminan- tes que contiene (humedad, aire, aceite) hasta los valores especificados por las normativas SAE J 1991 para el R12 y SAE J 2099 para el R134a.


Recorde- mos que, de acuerdo con la legislación vigente, en la mayoría de los países está prohibido eliminar el refri- gerante al ambiente, siendo obligatoria o al menos muy recomendable su recuperación. Compuesto Pontencial de degradación de ozono (ODP) Potencial de efecto invernadero (HGWP) Duración del efecto (años) CFC 111.01.060 CFC 120.92-1.02.8-3.4120 CFC 1130.82-0.891.490 CFC 1140.63-0.793.7-4.1200 CFC 1150.36-0.457.5-7.6400 HCFC 220.042-0.0570.374-0.3715.3 HCFC 1230.013-0.0190.017-0.201.6 HCFC 1240.016-0.0210.09-0.106.6 HCFC 141b0.066-0.0920.087-0.0977.8 HCFC 142b0.053-0.0590.34-0.3919.1 HFC 12500.51-0.6528.1 HFC 134a00.25-0.2915.1 HFC 143a00.72-0.7641 HFC 152a00.026-0.0331.7 Tabla II. Impacto medioambiental de algunos refrigerantes.


6 Sistemas de climatización de automóviles. Problemática... / Francisco Mata Cabrera Ingenierías , Enero-Marzo 2004, Vol.


VII, No. 22 25 El equipo especial utilizado para la recuperación, reciclado y carga del refrigerante está constituido por: " Compresor hermético, que aspira el refrigerante durante el vaciado del equipo A/C y lo pone en circulación por el interior de la estación para su T.ext. (ºC) Comprensor de cilindrada variable (V)Compresor de cilindrada fija (F) R134aR134aR12 B.P (Kg/cm 2 ) A.P.


(Kg/cm 2 ) B.P. (Kg/cm 2 ) A.P. (Kg/cm 2 ) B.P.


(Kg/cm 2 ) A.P. (Kg/cm 2 ) MinMaxMinMaxMinMaxMinMaxMinMaxMinMax 15.51.52.39.513.00.53.09.513.00.538.5 12.0 21.01.52.312.517.50.53.012.517.50.5310.517.5 26.51.52.314.020.50.53.014.020.50.5312.519.0 32.01.52.516.024.00.53.516.024.00.53.514.022.0 38.81.52.518.525.050.53.518.525.50.53.516.023.0 43.01.52.522.028.50.53.522.028.00.53.519.025 Tabla III. Presiones de referencias 6 Fig.


4. Proceso de carga del fluido frigorígeno. 1.


Cilindro de carga, 2. Manómetro, 3. Válvula de carga, 4.


Pesos, 5. Fluido frigorígeno. reciclado y retorno en condiciones de uso al de- pósito acumulador.


" Filtro para interceptar las partículas sólidas for- madas como consecuencia de la presencia de hu- medad y ácidos corrosivos. " Destilador para la separación del aceite. " Equipo de condensación para la separación de gases.


" Balanza electrónica para controlar el peso del refrigerante. " Microprocesador para gestionar todo el proceso de forma automática. Concluidas las operaciones de carga se debe poner en marcha el equipo de aire acondicionado del vehículo para realizar el control de las prestaciones.


Tomando como referencia la temperatura ambiental y considerando el tipo de refrigerante, los valores de las presiones que indican un funcionamiento correcto del equipo se encuentran comprendidos en los intervalos indicados en la tabla III: Sistemas de climatización de automóviles. Problemática... / Francisco Mata Cabrera Fig.


3. Estación automática de recuperación, reciclado y carga de refrigerante. 26 Ingenierías , Enero-Marzo 2004, Vol.


VII, No. 22 CONCLUSIONES Para solventar el problema medioambiental que originan los refrigerantes se hace necesaria no sólo la concienciación de todos los usuarios, sino espe- cialmente el compromiso firme de los dirigentes po- líticos que son, en última instancia, quienes marcan el rumbo de los acontecimientos. La sustitución de los derivados CFC y HCFC requiere inversiones en adaptación de equipos y desarrollo de nuevas tecno- logías para la refrigeración.


Ahora bien, es impres- cindible la colaboración de las empresas del sector, dando lugar a una cierta sinergia que acabe por im- plantar nuevos refrigerantes más ecológicos, en con- sonancia con otros avances deseables como la utili- zación de combustibles no fósiles, la reducción de las emisiones contaminantes, etc. Sistemas de climatización de automóviles. Problemática...


/ Francisco Mata Cabrera BIBLIOGRAFÍA 1. Losilla, F., Mata, F. y otros., 2001, Monografías didácticas del curso Tecnologías del automóvil, Asociación de Antiguos Alumnos de la Escuela Universitaria Politécnica, Almadén.


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