UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

“Elaboración de Banco de pruebas de climatización automotriz

para la aplicación de prácticas dentro de la Facultad de Ciencias

de la Ingeniería”

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO

AUTOMOTRIZ

AUTOR: Julio Bolívar Vallejo Echeverría

DIRECTOR: ING. EDGAR TOAPANTA

Quito, Abril 2013

© Universidad Tecnológica Equinoccial.2013

Reservados todos los derechos de reproducción

DECLARACIÓN

Yo JULIO BOLÍVAR VALLEJO ECHEVERRÍA, declaro que el trabajo aquí

descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún

grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas

que se incluyen en este documento.

La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos

correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad

Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.

___________________

Julio Vallejo

C.I. 171824802-2

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Elaboración de Banco de

pruebas de climatización automotriz, para la aplicación de prácticas dentro de la

Facultad de Ciencias de la Ingeniería", que, para aspirar al título de Ingeniero

Automotriz fue desarrollado por Julio Bolívar Vallejo Echeverría, bajo mi

dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple

con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación

artículos 18 y 25.

___________________

Ing. Edgar Toapanta

DIRECTOR DELTRABAJO

C.I. 171570285-6

DEDICATORIA

A Dios,

Por darme la vida, por estar a mis espaldas en cada paso que doy, por fortalecer

mi corazón e iluminar mi mente y haber puesto en mi camino a aquellas personas

que han sido mi soporte y compañía durante el periodo de estudio.

A mis padres,

Por ser un ejemplo de perseverancia, e inculcarme los valores que me ayudaron

en toda circunstancia de la vida, por dejar todo su sudor y dedicación para que yo

sea un hombre de bien, y finalmente por siempre brindarme su calor y amor

constante de padres y amigos.

A mis hermanos,

Que siempre confiaron en su hermano mayor, por su apoyo y por estar conmigo, y

para que vean en mí un ejemplo a seguir.

A Cristina Torres,

Por estar a mi lado en todo momento apoyándome con mis decisiones, por sus

concejos y cariño, además de su motivación constante que ha permitido cumplir

mis objetivos, pero más que nada, por su amor.

Julio Vallejo.

AGRADECIMIENTO

Agradezco primero a la Universidad Tecnológica Equinoccial y a la Facultad de

Ingeniería, en especial a la carrera de Ingeniería Automotriz por dejarme ingresar

a su mundo de conocimientos y a todos los profesores que han dejado un granito

de arena en cada clase para que yo vaya recolectándolos uno por uno hasta poder

construir mi montaña que finalmente están dando frutos.

Agradezco a mi tutor y al coordinador de la carrera Ing. Edgar Toapanta y al Ing.

Simón Hidalgo por ser unas personas pacientes y brindarme su apoyo y

conocimientos pero más que nada por ser buenos educadores y personas de bien,

ya que sin ello no se consigue nada en la vida, y gracias a su ejemplo y ayuda he

podido salir adelante con el proyecto.

A mis padres y hermanos por siempre confiar en mí, por siempre brindarme el

apoyo económico y moral para cada día salir adelante con los estudios y mi vida,

por darme todo el amor del mundo, valores y ejemplo de personas humanas para

formarme como un hombre de bien.

Agradezco también Cristina Torres, la persona que siempre ha estado a mi lado

en todo momento durante la realización de este proyecto, con su amor, su cariño,

presencia y, sobre todo su respaldo y constancia para verme ser un profesional.

Así mismo, quisiera expresar mis agradecimientos a todos aquellos que aportaron

con conocimientos y obra para realizar mi tesis, que de alguna forma fueron

personas que sin conocerme extendieron su mano e hicieron un inestimable

aporte.

A todos, mi mayor reconocimiento y gratitud.

Julio Vallejo

i

ÍNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

RESUMEN xvi

ABSTRACT xviii

CAPÍTULO 1

1. INTRODUCCIÓN 1

1.1 ANTECEDENTES 1

1.2 ING. AUTOMOTRIZ 1

1.3 TALLER 2

1.4 EL PROBLEMA 2

1.5 JUSTIFICACIÓN 3

1.6 IMPACTO 3

1.6.1 IMPACTO SOCIO-ECONÓMICO 3

1.6.2 IMPACTO AMBIENTAL 3

1.7 OBJETIVOS 4

1.7.1 OBJETIVO GENERAL 4

1.7.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 4

1.8 HIPÓTESIS 4

1.9 METODOLOGÍA 5

1.9.1 HISTÓRICO 5

1.9.2 PRÁCTICO 5

CAPÍTULO 2

2. MARCO TEÓRICO 6

2.1 PRINCIPIOS DE REFRIGERACIÓN Y

TERMODINÁMICA 6

ii

2.1.1 PRESIÓN 6

2.1.1.1 Presión atmosférica y altura 8

2.1.1.2 Barómetros 9

2.1.1.3 Indicadores de presión 10

2.1.1.3.1 Manómetros 10

2.1.2 TEMPERATURA 12

2.1.2.1 Equilibrio térmico 13

2.1.2.2 Ley cero 13

2.1.2.3 Temperatura de saturación 14

2.1.2.4 Temperatura empírica 14

2.1.3 TRABAJO 15

2.1.4 POTENCIA 15

2.1.5 ENERGÍA 16

2.1.5.1 Energía cinética 16

2.1.5.2 Energía potencial 17

2.1.5.3 Primera ley de la termodinámica o ley de

la conservación de la energía 17

2.1.5.4 Segunda ley de la termodinámica 18

2.1.5.5 Tercera ley de la termodinámica 19

2.1.6 CALOR 19

2.1.6.1 Transferencia de calor por convección 20

2.1.6.2 Transferencia de calor por conducción 21

2.1.6.3 Transferencia de calor por radiación 21

2.1.6.4 Calor sensible 22

2.1.6.5 Calor latente 23

2.1.6.6 Entalpía 24

2.1.6.7 Entropía 25

2.1.7 PSICOMETRÍA DEL AIRE 25

2.1.7.1 Composición del aire 26

iii

2.1.7.2 Humedad relativa o saturación relativa 26

2.1.7.3 Volumen específico 28

2.1.7.4 Calor específico 28

2.1.7.5 Humedad absoluta 28

2.1.7.6 Humedad específica 29

2.1.7.7 Temperatura del punto de rocío 29

2.1.7.8 Temperatura de termómetro seco 29

2.1.7.9 Temperatura de termómetro húmedo 30

2.1.8 REFRIGERANTES 30

2.1.8.1 Propiedades de un refrigerante 30

2.1.8.2 Efecto de la humedad 31

2.1.8.3 Tipos de refrigerantes y su clasificación 32

2.1.8.4 Impacto ambiental 34

2.2 AIRE ACONDICIONADO AUTOMOTRIZ 36

2.2.1 INTRODUCCIÓN 36

2.2.2 PARTES DEL SISTEMA DE AIRE

ACONDICIONADO 36

2.2.2.1 Compresor 37

2.2.2.1.1 Tipos de compresores 39

2.2.2.2 Condensador 42

2.2.2.3 Evaporador 44

2.2.2.4 Válvula de expansión 45

2.2.2.5 Tubo orificio 47

2.2.2.6 Deposito-secador 48

2.2.2.7 Acumulador 49

2.3 CICLO DE AIRE ACONDICIONADO 50

2.3.1 INTRODUCCIÓN 50

2.3.2 EXPANSIÓN 51

2.3.3 EVAPORIZACIÓN 52

iv

2.3.4 COMPRESIÓN 53

2.3.5 CONDENSACIÓN 54

CAPÍTULO 3

3. SELECCIÓN, CONSTRUCCIÓN Y MONTAJE DEL

BANCO DE PRUEBAS DE AIRE ACONDICIONADO

AUTOMOTRIZ 56

3.1 GENERALIDADES 56

3.2 SELECCIÓN DE COMPONENTES 57

3.2.1 COMPRESOR 58

3.2.2 CONDENSADOR 59

3.2.3 FILTRO SECADOR 61

3.2.4 VÁLVULA DE EXPANSIÓN 62

3.2.5 EVAPORADOR 63

3.2.6 VENTILADORES 64

3.2.7 TERMOSTATO 65

3.2.8 MOTOR ELÉCTRICO 66

3.2.9 BATERÍA 68

3.2.10 MANIFOLD DE CARGA 70

3.2.11 DIAGRAMA Y COMPONENTES ELÉCTRICOS 70

3.2.12 ELEMENTOS ELÉCTRICOS DEL BANCO DE

PRUEBAS 71

3.2.13 SELECCIÓN DE MATERIALES PARA LA

CONSTRUCCIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS 73

3.2.13.1 Tubo de la estructura 73

3.2.13.2 Madera triplex 75

3.2.13.3 Perfiles estructurales y ángulos 76

3.2.13.4 Pernos, tuercas y arandelas 77

v

3.3 CONSTRUCCIÓN Y DIMENSIONES 78

3.3.1 CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA Y

BASE 78

3.3.2 DIMENSIONES Y MEDIDAS DE LA

ESTRUCTURA 80

3.3.2.1 Dimensiones de la estructura 80

3.3.2.1.1 Planta 80

3.3.2.1.2 Vista lateral, izquierda y derecha 81

3.3.2.1.3 Vista frontal y posterior 82

3.3.3 CONSTRUCCIÓN Y MONTAJE DEL BANCO

DE PRUEBAS 82

3.3.3.1 Montaje de las bases de madera a la

estructura 82

3.3.3.2 Montaje del evaporador 84

3.3.3.3 Montaje del condensador 86

3.3.3.4 Montaje del motor eléctrico 87

3.3.3.5 Montaje del filtro secador 89

3.3.3.6 Montaje del compresor 90

3.3.3.7 Montaje de la batería 92

3.3.3.8 Montaje y acople de cañerías 94

3.3.3.9 Distribución del cableado y componentes

eléctricos 96

3.3.3.10 Ubicación fusible y relé 97

3.3.3.11 Conexión batería 98

3.3.3.12 Conexión termostato, compresor,

ventiladores y switch de presión 99

3.3.3.13 Conexión motor eléctrico 100

vi

CAPÍTULO 4

4. IMPLANTACIÓN Y MANTENIMIENTO DEL BANCO DE

PRUEBAS DE AIRE ACONDICIONADO AUTOMOTRIZ 102

4.1 GUÍAS DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO PARA EL

BANCO DE PRUEBAS DE CLIMATIZACION

AUTOMOTRIZ 102

4.1.1 PRÁCTICA No. 1 102

4.1.2 PRÁCTICA No. 2 109

4.1.3 PRÁCTICA No. 3 112

4.1.4 PRÁCTICA No. 4 119

4.1.5 PRÁCTICA No. 5 123

4.2 MANTENIMIENTO Y CONTROL DE FALLAS 128

4.2.1 INTRODUCCIÓN 128

4.2.2 MANTENIMIENTO 128

4.2.3 CONTROL DE FALLAS EN EL BANCO DE

PRUEBAS DE AIRE ACONDICIONADO

AUTOMOTRIZ 130

4.2.3.1 Fallas con manómetros 130

4.2.3.1.1 Presencia de humedad en el sistema 130

4.2.3.1.2 Falta de fluido refrigerante 132

4.2.3.1.3 Poca circulación de líquido

refrigerante 133

4.2.3.1.4 Ausencia de circulación de fluido

refrigerante, poca circulación de

líquido refrigerante 134

4.2.3.1.5 Exceso de fluido refrigerante o

deficiencia de cambio de calor del

condensador 135

vii

4.2.3.1.6 Presencia de aire en el sistema 136

4.2.3.1.7 Válvula de expansión con

funcionamiento irregular 138

4.2.3.1.8 Deficiencia en el compresor 139

4.2.3.2 Fallas de los ventiladores 140

4.2.3.3 Ruidos anormales 141

4.2.3.4 Fallas eléctricas 142

CAPÍTULO 5

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 145

5.1 CONCLUSIONES 145

5.2 RECOMENDACIONES 146

viii

ÍNDICE DE FIGURAS

PÁGINA

Figura 1. Barómetro de mercurio de Torricelli 8

Figura 2. Diferencia de presiones 9

Figura 3. Manómetro de tubo U 11

Figura 4. Manómetro de tubo de Bourdon 13

Figura 5. Equilibrio térmico 12

Figura 6. Ley cero de la termodinámica 14

Figura 7. Transferencia de calor por convección 20

Figura 8. Transferencia de calor por conducción 21

Figura 9. Tipos de transferencia de calor 22

Figura 10. Calor Latente 24

Figura 11. Gráfica del calor sensible y calor latente 24

Figura 12. Composición del aire 26

Figura 13. Diagrama Psicométrico del aire 27

Figura 14. Gota de vapor condensada 29

Figura 15. Tipos de refrigerante 32

Figura 16. Agujero capa de ozono 34

Figura 17. Estación automática de recuperación, reciclado y

recarga de refrigerante 35

Figura 18. Partes sistema aire acondicionado 36

ix

Figura 19. Partes del ciclo de aire acondicionado 37

Figura 20. Compresor 38

Figura 21. Compresor automotriz 38

Figura 22. Compresor tipo pistón 40

Figura 23. Compresor tipo paletas transversales 42

Figura 24. Condensador 44

Figura 25. Condensador automotriz 44

Figura 26. Evaporador automotriz 45

Figura 27. Válvula de expansión 46

Figura 28. Válvula de expansión automotriz 47

Figura 29. Tubo orificio 48

Figura 30. Estructura depósito secador 49

Figura 31. Acumulador 49

Figura 32. Ciclo ideal de refrigeración 51

Figura 33. Gráfica Presión-Entalpía, Expansión Isoentálpica 52

Figura 34. Gráfica Presión-Entalpía, Vaporación Isobárica 53

Figura 35. Gráfica Presión-Entalpía, Compresión Isentrópica 54

Figura 36. Gráfica Presión-Entalpía, Condensación Isobárica. 55

Figura 37. Ciclo del refrigerante expansión, evaporación,

compresión condensación 55

Figura 38. Compresor Sanden TM 10 58

Figura 39. Condensador genérico Otero 60

x

Figura 40. Filtro secador 61

Figura 41. Válvula de Expansión 62

Figura 42. Evaporador 63

Figura 43. Ventilador axial del condensador 64

Figura 44. Ventilador axial del evaporador 65

Figura 45. Termostato 66

Figura 46. Motor eléctrico 68

Figura 47. Batería 69

Figura 48. Manómetros y sus acoples 70

Figura 49. Diagrama eléctrico banco de pruebas aire

acondicionado automotriz 71

Figura 50. Tubo de sección cuadrada estructural de acero 74

Figura 51. Madera triplex 1 75

Figura 52. Madera triplex 2 75

Figura 53. Perfiles metálicos 76

Figura 54. Ángulos 76

Figura 55. Pernos y tuercas 77

Figura 56. Arandelas 77

Figura 57. Estructura metálica del banco de pruebas, vista en

perspectiva 79

Figura 58. Vista lateral de la estructura metálica 79

Figura 59. Vista frontal de la estructura metálica 80

xi

Figura 60. Planta y sus dimensiones 81

Figura 61. Vista lateral izquierda y derecha con dimensiones 81

Figura 62. Vista frontal y posterior con dimensiones 82

Figura 63. Montaje de tablas de madera a la estructura

metálica 83

Figura 64. Montaje de tablas de madera a la estructura

metálica en 3Dmax 83

Figura 65. Montaje del Evaporador a la tabla superior 85

Figura 66. Montaje del Evaporador a la tabla superior en

3Dmax 85

Figura 67. Montaje del condensador a la tabla superior 86

Figura 68. Montaje del Condensador a la tabla superior en

3Dmax 87

Figura 69. Montaje del motor eléctrico a la tabla inferior 88

Figura 70. Montaje del motor eléctrico a la tabla inferior en

3Dmax 88

Figura 71. Montaje del filtro secador a la tabla superior 89

Figura 72. Montaje del filtro secador a la tabla superior en 3D

max 90

Figura 73. Montaje del compresor a la tabla superior,

alineación y tensión de la banda 91

xii

Figura 74. Montaje del compresor a la tabla superior en 3D

max 92

Figura 75. Montaje de la batería a la tabla inferior 93

Figura 76. Montaje de la batería a la tabla inferior en 3D max 93

Figura 77. Montaje y acople de cañerías vista 1 94

Figura 78. Montaje y acople de cañerías vista 2 94

Figura 79. Montaje y acople de cañerías vista 1 en 3D max 95

Figura 80. Montaje y acople de cañerías vista 2 en 3D max 95

Figura 81. Distribución del cableado por debajo del banco de

pruebas 96

Figura 82. Conexiones eléctricas 97

Figura 83. Ubicación del relé y fusible 98

Figura 84. Conexión de la batería y su masa 99

Figura 85. Conexión Ventiladores del Evaporador,

condensador, switch de presión y compresor 100

Figura 86. Motor eléctrico conectado a 220V externos 101

Figura 87. Verificación cableado 104

Figura 88. Verificación de presión e instalación de cañerías 105

Figura 89. Verificación del temple y alineación de la banda 106

Figura 90. Verificación del flujo de aire en ventiladores 107

Figura 91. Reconocimiento de partes 110

xiii

Figura 92. Red de conexiones para vacío del banco de

pruebas 114

Figura 93. Carga de refrigerante 115

Figura 94. Puesta en marcha motor eléctrico 116

Figura 95. Humedad relativa del aire en el diagrama

psicométrico 121

Figura 96. Temperaturas del sistema, encendido 125

Figura 97. Diagrama Presión vs Entalpía 125

Figura 98. Diagrama del sistema eléctrico del banco de

pruebas de aire acondicionado 144

xiv

ÍNDICE DE TABLAS

PÁGINA

Tabla 1. Matriz de priorización 57

Tabla 2. Características aire acondicionado 57

Tabla 3. Características compresor 59

Tabla 4. Características condensador 60

Tabla 5. Características filtro secador 62

Tabla 6. Características filtro secador 63

Tabla 7. Características evaporador 64

Tabla 8. Características ventiladores 65

Tabla 9. Características termostato 66

Tabla 10. Características motor eléctrico 68

Tabla 11. Características batería 69

Tabla 12. Especificaciones tubo cuadrado 74

Tabla 13. Tabla de Mantenimiento para el banco de

pruebas de climatización automotriz 128

xv

ÍNDICE DE ANEXOS

PÁGINA

ANEXO 1. 150

Gráfica Presión vs Entalpía

ANEXO 2. 151

Factores de conversión para medidas de longitud

ANEXO 3. 152

Conversión de temperaturas

ANEXO 4. 153

Medidas de Presión

xvi

RESUMEN

El trabajo y elaboración del proyecto de título “Elaboración de Banco de pruebas

de climatización automotriz, para la aplicación de prácticas dentro de la Facultad

de ciencias de la ingeniería", fue realizado por mi autoría y con el respaldo de

proveedores especializados en brindar servicio de mantenimiento a aires

acondicionados automotrices.

Se realiza este proyecto con el objetivo principal de proveer a los estudiantes de

Ingeniería Automotriz de la UTE, de material didáctico y equipo especializado; los

cuales ayudarán en el desarrollo de habilidades y prácticas de laboratorio

enfocado en la materia de Climatización Automotriz. El banco de pruebas está

elaborado pensando en la ergonomía y seguridad del ser humano, con sus

componentes de aire acondicionado bien distribuidos y asegurados permiten a los

estudiantes un libre acceso para pruebas y ensayos.

La elaboración de este proyecto comprende técnicas de investigación y

recopilación de datos donde podremos manifestar el funcionamiento de un aire

acondicionado en un banco de pruebas.

Los componentes utilizados para la elaboración del banco de pruebas son

básicos, empezando con motor eléctrico que transforma energía eléctrica en

energía mecánica y por medio de una banda generará el movimiento del

compresor el cual comprime el refrigerante r-134a que fluye por cañerías hacia el

condensador el cual condensará el líquido, después al filtro secador que purificará

de impurezas al refrigerante, luego este refrigerante se pulveriza al pasar por una

válvula de expansión y finalmente pasar por el evaporador que tiene incorporado

xvii

un ventilador que sacará el aire frio que está entre las aletas del evaporador hacia

afuera de la maqueta, adicionalmente la fuente de energía viene a ser una batería

que emite corriente eléctrica a los componentes eléctricos del sistema y así

finalizar el ciclo de climatización.

xviii

ABSTRACT

The work and elaboration of the Project named “the elaboration of the automotive

air conditioning test bed for the application of practices within the faculty of

engineering sciences”, was done under my authorship and with the backing of

suppliers specialized in providing maintenance services to automotive air

conditioning systems.

The project’s main objective is to provide for Automotive Engineering students of

UTE, didactic material and specialized equipment; these will help in the

development of laboratory abilities and practices focused in the field of automotive

air conditioning. The test bed is elaborated bearing in mind the ergonomics and

security of the human being; it’s secured, and well-distributed air conditioning

components allow the students an ample access to perform tests and projects on

them.

The elaboration of this project gathers techniques of investigation and data

collection where we can manifest the functioning of an air conditioner on a test

bed.

The components utilized for the elaboration of the test bed are very basic, starting

off by its electric engine, which transforms electrical energy into mechanical energy

with the help of a band that will help generate the movement of the compressor,

which compresses the cooling agent r-134a that flows through pipes to the

capacitor, which condenses the liquid. Then, it passes on to the drying filter, which

will purify the impurity of the cooling agent. After that, this cooling agent will be

pulverized as it passes through an expansion valve, which leads on to the

xix

evaporator that is incorporated with a ventilator that will expel the cold air that is

caught in between the fins of the evaporator outside of the model. The energy

source is a battery which emits an electrical current to the system’s electrical

components and finalizing the acclimatization cycle.

1

CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN

1.1 ANTECEDENTES

En tiempos pasados las personas no se preocupaban por el cuidado del medio

ambiente, y con los avances de la tecnología esto ha seguido creciendo más y

más, y pocos son los seres humanos que se han dedicado a construir

máquinas menos nocivas preocupándose por proteger a nuestro planeta y su

integridad. Hoy en día existen varias máquinas amigables con el medio

ambiente, por lo que ahora se piensa introducir elementos y máquinas que

reduzcan la contaminación y destrucción del mismo.

Por lo tanto el propósito de este proyecto es construir un banco de pruebas

para que los estudiantes puedan desenvolverse mejor en sus estudios y

prácticas dentro de la carrera de Ing. Automotriz y que también ayudará a la

protección del medio ambiente ya que se utilizará un refrigerante que no daña

la capa de ozono.

1.2 ING. AUTOMOTRIZ

La carrera de Ing. Automotriz quiere formar estudiantes transparentes,

responsables, que sean comprometidos con el desarrollo de la ciencia y

tecnología. Para que den a conocer a la sociedad su alto nivel académico y

tengan un gran desenvolvimiento tanto dentro y fuera del país.

Profesores y estudiantes de Ing. Automotriz conjuntamente crearan más

métodos de estudio dentro del taller automotriz incrementando equipos de

pruebas para sus prácticas y máquinas que ayuden a desarrollar las

habilidades de los estudiantes.

2

Al ser una carrera ya con una trayectoria de 7 años, se han establecido

materias en la malla que ayuden al estudiante para su íntegra formación como

Ingenieros Automotrices de la República del Ecuador. Mediante estas materias

lo que se espera es que el estudiante interactué directamente con la parte

material y física-mecánica de la carrera, complementando sus estudios tanto en

lo teórico como en lo práctico.

1.3 TALLER

El taller de la carrera de Ing. Automotriz de la Universidad Tecnológica

Equinoccial, conjuntamente con ayuda de los estudiantes crearán e

incorporaran más equipos que ayuden al desenvolvimiento y creatividad de los

estudiantes para las diferentes materias de la carrera. Esto se lo logrará

mediante estudios, diseño y elaboración de los mismos para beneficio propio

de los estudiantes.

La parte práctica es esencial en el desarrollo de un estudiante en su carrera

universitaria, cuando se incorporaron los primeros equipos de pruebas y

prácticas en el taller automotriz los niveles académicos de los estudiantes

mejoraron notablemente, reflejándose en sus notas académicas,

desenvolvimiento en clase, y en talleres fuera de la universidad, por ende

queda comprobado la efectividad de aumentar máquinas y equipos que ayuden

a desenvolverse a un estudiante dentro de su carrera.

1.4 EL PROBLEMA

La falta de material adecuado en el taller automotriz, los altos costos de

equipos de pruebas y falta de conocimientos para la manipulación de los

mismos, para las prácticas en la materia de Climatización automotriz, no

permite el desenvolvimiento y la creatividad de los estudiantes de la carrera.

3

1.5 JUSTIFICACIÓN

Mediante la elaboración de un banco de pruebas de climatización automotriz

los estudiantes de la Facultad de Ing. Automotriz de la UTE darán uso y podrán

conocer el funcionamiento de un Sistema de aire acondicionado dentro del

automóvil, hacer prácticas de laboratorio, comprender y analizar los ciclos y

diagnosticar las diferentes fallas en el aire acondicionado, haciendo que los

estudiantes desarrollen su conocimiento intelectual y su creatividad.

1.6 IMPACTO

1.6.1 IMPACTO SOCIO- ECONÓMICO

Mediante la construcción del banco de pruebas lo que se quiere hacer es

incentivar a los estudiantes de la Facultad de Ingeniería Automotriz para hacer

las prácticas dentro de la Universidad y promover su desarrollo intelectual,

convirtiéndose en una razón para que los mismos no necesiten salir de la

Universidad obteniendo un material de estudio al alcance de sus manos.

1.6.2 IMPACTO AMBIENTAL

El Impacto y la destrucción del planeta que los químicos y materiales mal

usados por las industrias, viene acarreando un serio problema global y la

solución está en manos de todos.

La contaminación y destrucción de la capa de ozono del planeta que los

químicos refrigerantes han ocasionado han sido devastadores debido a la

presencia de cloro en el mismo, el refrigerante R-12 a sido el más utilizado

antiguamente, por sus altos niveles de toxicidad a sido sustituido por el R-134a,

pero debido a características similares su contaminación con la capa de ozono

4

es inocua. Ya que su toxicidad contamina ríos, mata vegetación y animales, y

produce daños severos en la capa de ozono.

Hoy por hoy se están aplicando nuevas técnicas para la recolección, y

cuidados en el uso de este refrigerante tanto en su carga y descarga, con esto

se busca causar un impacto mucho menor para el planeta.

1.7 OBJETIVOS

1.7.1 OBJETIVO GENERAL

Elaborar un banco de pruebas para el análisis del ciclo termodinámico del

sistema de climatización automotriz, para que los estudiantes puedan hacer

sus prácticas mediante la implementación de este equipo en el taller

automotriz.

1.7.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. Elaborar de un Banco de pruebas de climatización para la

implementación de material en el taller automotriz de la UTE y así

generar prácticas para los estudiantes aumentando su creatividad y

conocimiento.

2. Realizar guías de práctica de laboratorio para Banco de pruebas de

climatización.

3. Desarrollar un plan de mantenimiento para el Banco de pruebas de

climatización.

1.8 HIPÓTESIS

Si se obtiene la implementación del Banco de pruebas y se elabora una guía de

práctica conjuntamente con un estudio y análisis de la climatización del

automóvil para la Escuela Automotriz de la FCI, se logrará incrementar el

desarrollo y creatividad de los estudiantes.

5

1.9 METODOLOGÍA

Para realizar el siguiente trabajo se utilizaran los siguientes métodos:

1.9.1 HISTÓRICO

Debido a la extensa información que hay sobre climatización automotriz, se

recurrirá a bibliotecas y a manuales de taller los cuales servirán para poder

hacer guías de prácticas del mismo.

1.9.2 PRÁCTICO

La construcción del Banco de pruebas de Climatización se la hará en el periodo

2012-2013 para el taller automotriz de la FCI, esto beneficiara a los estudiantes

que están cursando materias como Climatización Automotriz.

6

CAPÍTULO 2

MARCO TEÓRICO

2.1 PRINCIPIOS DE REFRIGERACIÓN Y TERMODINÁMICA 2.1.1 PRESIÓN

Para la Física, se llama presión a la relación que existe entre una fuerza y la

superficie sobre la que se aplica. (Roy J. Dossat 1997):

[2.1]

Donde:

P= presión

F= fuerza total

A= área total

(Roy J. Dossat 1997)

Dado que en el Sistema Internacional la unidad de fuerza es el newton (N) y la

de superficie es el metro cuadrado (m2), la unidad resultante para la presión es

el newton por metro cuadrado (N/m2) que recibe el nombre de pascal (Pa)

1 Pa = 1 N/m2

Otra unidad muy utilizada para medir la presión, aunque no pertenece al

Sistema Internacional, es el milímetro de mercurio (mm Hg) que representa una

presión equivalente al peso de una columna de mercurio de 1 mm de altura.

Esta unidad está relacionada con la experiencia de Torricelli que encontró,

utilizando un barómetro de mercurio, que al nivel del mar la presión atmosférica

7

era equivalente a la ejercida por una columna de mercurio de 760 mm de

altura. (Fernández D, 2003) (Roy J. Dossat 1997)

En este caso la fuerza se correspondería con el peso (m·g) de la columna de

mercurio por lo que.

[2.2]

Donde:

m = masa

g = gravedad

A= área

(Roy J. Dossat 1997)

Como la masa puede expresarse como el producto de la densidad por el

volumen (m = d·V), si sustituimos será:

[2.3]

(Roy J. Dossat 1997)

8

Figura 1. Barómetro de mercurio de Torricelli.

(http://www.tutiempo.net/silvia_larocca/Temas/torric1.jpg)

2.1.1.1 Presión atmosférica y altura

Es la fuerza que ejerce el aire atmosférico sobre la superficie terrestre.

Como la presión atmosférica se debe al peso del aire sobre un cierto punto de

la superficie terrestre, es lógico suponer que cuanto más alto esté el punto,

tanto menor será la presión, ya que también es menor la cantidad de aire en

función de la altura. (Pita E, 1991) (Fernández D, 2003)

Por ejemplo, en una montaña la cantidad de aire que hay en su cima es menor

que la que hay sobre el nivel del mar, debido a la diferencia de altura.

Tomando como referencia el nivel del mar, donde la presión atmosférica tiene

un valor de 760 mmHg, se comprueba que, al medir la presión en la cumbre

que se encuentra a unos 1.500 metros sobre el nivel del mar, la presión

atmosférica vale aproximadamente 635 mmHg; es decir, la presión disminuye

con la altura.

De acuerdo a lo anterior, cuanto mayor sea la altura respecto al nivel del

mar, menor es la presión del aire, puesto que la columna de mercurio del

barómetro que queda por encima también es menor.

9

Figura 2. Diferencia de presiones.

(http://iqtermodinamica.blogspot.com/2010/08/la-presion-absoluta.html)

2.1.1.2 Barómetros

Instrumento para medir la presión atmosférica, es decir, la fuerza por unidad de

superficie ejercida por el peso de la atmósfera. Como en cualquier fluido esta

fuerza se transmite por igual en todas las direcciones. La forma más fácil de

medir la presión atmosférica es observar la altura de una columna de líquido

cuyo peso compense exactamente el peso de la atmósfera.

Un barómetro de agua sería demasiado alto para resultar cómodo. El

mercurio, sin embargo, es 13,6 veces más denso que el agua, y la columna de

mercurio sostenida por la presión atmosférica normal tiene una altura de sólo

760 milímetros.

El primer Barómetro lo ideo el evangelista Torrecelli cuando trataba de explicar

que las bombas aspirantes no pueden hacer subir el agua más allá de cierta

altura. (Fernández D, 2003) (Roy J. Dossat 1997)

10

2.1.1.3 Indicadores de presión

Se conoce como indicadores de presión a instrumentos utilizados para medir la

presión de cualquier tipo de fluido, ya sea líquido o gaseoso en un depósito

cerrado. Generalmente los indicadores usados en la industria de refrigeración

son de dos tipos:

Manómetro y tubo bourdon.

2.1.1.3.1 Manómetros

Los manómetros son usados para la medición de la presión en los fluidos,

generalmente determinando la diferencia de la presión entre el fluido y la

presión local. (presión relativa y presión absoluta) (Fernández D, 2003) (Roy J.

Dossat 1997)

Existen dos tipos de manómetros De tubo en U y de tubo de Bourdon:

De tubo en U:

Este manómetro es simplemente un tubo de vidrio doblado en forma de U lleno

parcialmente con un líquido de densidad conocida, uno de sus extremos se

conecta a la zona donde quiere medirse la presión, y el otro se deja libre a la

atmósfera. La presión ejercida en el lado de alta presión, produce el

movimiento del líquido dentro del tubo, lo que se traduce en una diferencia de

nivel marcado como h. Esta altura h dependerá de la presión y de

la densidad del líquido en el tubo, como la densidad se conoce, puede

elaborarse una escala graduada en el fondo del tubo U calibrada ya en

unidades de presión. (Fernández D, 2003) (Roy J. Dossat 1997)

11

De este tipo de manómetro surgieron las unidades donde la presión se

caracteriza por una unidad de longitud (el valor de h) seguido de la naturaleza

del líquido utilizado, por ejemplo, milímetros de agua, pulgadas de mercurio etc.

Estos manómetros pueden medir también presiones menores que la

atmosférica (vacío), la diferencia es que la columna de líquido ascenderá en el

lado de baja presión.

Figura 3. Manómetro de tubo U.

(http://www.sabelotodo.org/aparatos/imagenes/manometrotuboU.jpg)

Tubo de Bourdon:

Consiste en un tubo metálico elástico, aplanado y curvado de forma especial

conocido como tubo de Bourdon tal y como se muestra en la figura 3 en rojo.

Este tubo tiende a enderezarse cuando en su interior actúa una presión, por lo

que el extremo libre del tubo de Bourdon se desplaza y este desplazamiento

mueve un juego de palancas y engranajes que lo transforman en el movimiento

amplificado de una aguja que indica directamente la presión en la escala. (Pita

E, 1991) (Fernández D, 2003)

12

En la Figura 4. se demuestra este efecto de manera imprecisa pero que sirve

para comprender el funcionamiento.

Figura 4. Manómetro de tubo de Bourdon

(http://www.sabelotodo.org/aparatos/imagenes/manometro.jpg)

2.1.2 TEMPERATURA

La temperatura es una escala utilizada para medir la intensidad del calor y es

un indicador que nos muestra la dirección en que se moverá la energía de

calor. También se define como el grado de calor sensible que tiene un cuerpo

en comparación con otro.

La temperatura se puede medir en Grados Fahrenheit, pero en Ecuador, y

generalmente en el resto del mundo, se usa la escala de Grados Centígrados,

también conocida como grados Celsius. Ambas escalas tienen dos puntos

básicos en común: el punto de congelación y el de ebullición del agua al nivel

del mar.

Al nivel del mar, el agua se congela a 0°C o a 32°F y hierve a 100°C o a 212°F.

En la escala Fahrenheit, la diferencia de temperatura entre estos dos puntos

13

está dividida en 180 incrementos de igual magnitud llamados grados

Fahrenheit, mientras que en la escala Centígrados, la diferencia de

temperatura está dividida en 100 incrementos iguales llamados grados

Centígrados. (Roy J. Dossat 1997)

2.1.2.1 Equilibrio térmico

Cuando tenemos dos cuerpos en contacto térmico. Y entre estos cuerpos no

existe flujo de calor entonces se dice que ambos cuerpos se encuentran

en equilibrio térmico.

El parámetro termodinámico que caracteriza el equilibrio térmico es la

temperatura. Cuando dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico,

entonces estos cuerpos tienen la misma temperatura. (Roy J. Dossat 1997)

Figura 5. Equilibrio térmico.

(http://www.textoscientificos.com/imagenes/fisica/equilibrio-termico.gif)

2.1.2.2 Ley cero

La Ley cero establece que si dos sistemas A y B están en equilibrio térmico,

con un tercer sistema C, entonces los sistemas A y B estarán en equilibrio

térmico entre sí.

La Ley Cero de la Termodinámica postula que es posible medir la temperatura,

es decir, que la temperatura es una propiedad. (Roy J. Dossat 1997)

14

Figura 6. Ley cero de la termodinámica.

(http://www.textoscientificos.com/imagenes/fisica/ley-cero-termodinamica.gif)

2.1.2.3 Temperatura de saturación

Es la temperatura en la cual un fluido cambia su estado de líquido a gaseoso, o

inversamente de gaseoso a líquido.

Todo tipo de líquido en su punto de ebullición se le llama también líquido

saturado y consecuentemente, el punto de ebullición es también conocido

como temperatura de saturación. A cualquier presión dada, le corresponde un

punto de ebullición o una temperatura de saturación, así por ejemplo el punto

de ebullición del agua a una presión atmosférica normal (760 mmHg) es de

100°C, mientras que su punto de ebullición a una presión atmosférica de 531

mmHg (aprox 3000 m de altitud) es de 89°C. (Pita E, 1991) (Roy J. Dossat

1997)

2.1.2.4 Temperatura empírica

Es una propiedad que su valor es el mismo para todos los sistemas que están

en equilibrio térmico entre sí. (Roy J. Dossat 1997)

15

2.1.3 TRABAJO

Se llama trabajo mecánico cuando una fuerza que es aplicada sobre un cuerpo

mueve este cuerpo una determinada distancia. Suponiendo que la línea de

acción de la fuerza sea paralela a la dirección del movimiento, la cantidad de

trabajo efectuado (w) es igual a la fuerza (F) multiplicada por la distancia (d)

durante la cual la fuerza actúa; (Roy J. Dossat 1997) osea:

[2.4]

(Roy J. Dossat 1997)

Donde

W = trabajo realizado en Newtons/m (N-m)

F = fuerza en Newtons (N)

d = distancia metros (m)

2.1.4 POTENCIA

Es el trabajo, o transferencia de energía, que se realiza por unidad de tiempo.

En el Sistema Internacional la potencia se expresa en Joules por segundo,

unidad a la que se le da el nombre Watt (W), 1 W = 1J/s. y el trabajo (libras-

pies). Para potencias elevadas se usa el caballo de fuerza, abreviado hp, que

equivale a 746 Watts. 1 hp = 746 watts. (Roy J. Dossat 1997)

[2.5]

(Roy J. Dossat 1997)

16

Donde:

W = trabajo

t = tiempo en segundos (s)

2.1.5 ENERGÍA

Es la capacidad de los cuerpos o conjunto de éstos para efectuar un trabajo.

Todo cuerpo material que pasa de un estado a otro produce fenómenos físicos

que no son otra cosa que manifestaciones de alguna transformación de la

energía. (Fernández D, 2003) (Roy J. Dossat 1997)

2.1.5.1 Energía cinética

Es la que posee un cuerpo debido a su movimiento o velocidad; por ejemplo: la

energía del agua al caer de una cascada, la energía del aire en movimiento,

etc. También se define como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de

una masa determinada desde el reposo hasta la velocidad indicada.

(Fernández D, 2003) (Roy J. Dossat 1997)

La cantidad de energía cinética (E) que un cuerpo posee es función de su

masa (m) y su velocidad (v) de acuerdo a la siguiente ecuación:

) [2.6]

(Roy J. Dossat 1997)

Donde:

E = energía cinética en Jouls (J)

m = masa (kg)

v = velocidad (m/s)

17

2.1.5.2 Energía potencial

La energía potencial de un cuerpo se define como la energía que es capaz de

generar un trabajo como consecuencia de la posición del mismo. Este concepto

indica que cuando un cuerpo se mueve con relación a cierto nivel de referencia

puede acumular energía. Un caso típico es la energía potencial gravitacional la

cual se evidencia al levantar un cuerpo a cierta altura, si lo soltamos, la energía

potencial gravitacional se liberará convirtiéndose en energía cinética al caer.

(Fernández D, 2003) (Roy J. Dossat 1997)

La energía potencial, Ep, se mide en julios (J), la masa, m se mide en

kilogramos (kg), la aceleración de la gravedad, g, en metros/segundo-cuadrado

(m/s2) y la altura, h, en metros (m).

[2.6]

(Roy J. Dossat 1997)

Donde:

Ep = Energía potencial en Jouls (J)

m = masa en kilogramos (kg)

g = gravedad metros sobre segundos cuadrados (m/s^2)

h = altura en metros (m)

2.1.5.3 Primera ley de la termodinámica o ley de la conservación de la

energía

Carnot dice que: la energía no se crea ni se destruye, únicamente

se transforma (ello implica que la masa en ciertas condiciones se puede

considerar como una forma de energía. En general, no se tratará aquí el

18

problema de conservación de masa en energía ya que se incluye la teoría de la

relatividad).

La ley de conservación de la energía afirma que:

1.-No existe ni puede existir nada capaz de generar energía.

2.-No existe ni puede existir nada capaz de hacer desaparecer la energía.

3.-Si se observa que la cantidad de energía varía siempre será posible atribuir

dicha variación a un intercambio de energía con algún otro cuerpo o con el

medio circundante. (Nicolás Leonard Sadi Carnot, 1824)

2.1.5.4 Segunda ley de la termodinámica

Thompson anuncio lo siguiente:

Es completamente imposible realizar una transformación cuyo único resultado

final sea el de cambiar en trabajo el calor extraído de una fuente que se

encuentre a la misma temperatura.

Esta citación suprime lo que se explica de una maquina térmica, porque se

refiere a que no es posible producir trabajo mecánico extrayendo calor de un

solo deposito, sin regresar ninguna cantidad de calor a un deposito que se

encuentre con menor temperatura.

Según Thompson estos procesos son irreversibles como por ejemplo: Cuando

dos objetos que están a diferente temperatura se ponen en contacto térmico

entre sí, el calor fluye del objeto más cálido al más frío, pero nunca del más frío

al más cálido. (William Thomson, 1905)

19

2.1.5.5 Tercera ley de la termodinámica

El físico Alemán Nernstse refiere también a la Tercera ley de la termodinámica

como “Teorema de Nerst” y dice que:

No se puede alcanzar el cero absoluto en un número finito de etapas. Puede

definirse como: 1) al llegar al cero absoluto (0° K) cualquier proceso de un

sistema se detiene; y 2) al llegar al 0 absoluto (0° K) la entropía alcanza un

valor constante.

De esta manera se entiende que la tercera ley indica que la entropía de una

sustancia pura en el cero absoluto es cero. Por lo tanto, la tercera ley provee

de un punto de referencia absoluto para la determinación de la entropía. La

entropía relativa a este punto es la entropía absoluta. (Walther Nernst físico

alemán 1864-1941)

2.1.6 CALOR

Es la transferencia de energía de un cuerpo a otro, o entre diferentes cuerpos,

en virtud de una diferencia de temperatura.

Calor es energía en tránsito; siempre fluye de un área de mayor temperatura a

un área de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda

y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga

constante. La energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto

de temperatura alta si no se realiza trabajo. (Fernández D, 2003) (Roy J.

Dossat 1997)

20

2.1.6.1 Transferencia de calor por convección

Cuando existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un

gas, se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de

una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento

del fluido puede ser natural o forzado. Cuando calienta un líquido o un gas,

su densidad (masa por unidad de volumen) va a disminuir. Si el líquido o gas

se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso

asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. A este tipo de

acción, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido,

se le llama convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el

fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de

acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos. (Fernández D, 2003) (Roy J.

Dossat 1997)

Figura 7. Transferencia de calor por convección.

(http://www.darwinmilenium.com/estudiante/Fisica/Temario/Tema6_archivos/im

age054.jpg)

21

2.1.6.2 Transferencia de calor por conducción

La transferencia de calor en los cuerpos sólidos se da por conducción. Cuando

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.

Todavía no se logra comprender 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. (Fernández D, 2003) (Roy J. Dossat 1997)

Figura 8. Transferencia de calor por conducción.

(http://www.iesfuentenueva.net/proyecto2/images/20070924klpcnafyq_203.ges.

sco.png)

2.1.6.3 Transferencia de calor por radiación

Transferencia de calor por radiación se da por medio de ondas

electromagnéticas.

No se requiere de un medio para su propagación. Esta energía irradiada se

mueve a la velocidad de la luz. El calor que irradia el Sol se puede intercambiar

22

entre la superficie solar y la superficie de la Tierra sin calentar el espacio de

transición.

Por ejemplo. Si se pone un objeto (tal como una cuchara de metal, un

automóvil, o a nosotros mismos) bajo los rayos del Sol directos; al poco tiempo

vamos a notar que el objeto se calentará. El intercambio de calor entre el Sol y

el objeto ocurrirá por medio de radiación. (Fernández D, 2003) (Roy J. Dossat

1997)

Figura 9. Tipos de transferencia de calor.

(http://1.bp.blogspot.com/-

b5F4a8Z9qFc/T9D0nXjILTI/AAAAAAAAAKM/09U_ah88O1E/s1600/formascalor

ejm.png)

2.1.6.4 Calor sensible

Se le llama calor sensible a todo calor que puede ser medido con un

termómetro y también al calor que podamos sentir.

Un ejemplo claro de calor sensible es la temperatura del aire que nos rodea,

que también se la conoce como temperatura ambiente, por lo tanto la variación

23

en la temperatura del aire nos hace sentir ese cambio en nuestro cuerpo,

sintiendo frio o calor. (Fernández D, 2003) (Roy J. Dossat 1997)

[2.7]

En donde:

Q = calor

H = entalpía del sistema

m = la masa del cuerpo

Cp = calor especifico a presión constante

t2 = temperatura final

t1 = la temperatura inicial del cuerpo.

2.1.6.5 Calor latente

Es aquel calor necesario para provocar en la materia un cambio de estado, a

este calor no se lo puede medir con un termómetro y tampoco sentirse.

Este cambio de estado se produce cuando un sólido cambia a líquido o un

líquido cambia a gas o viceversa. (Fernández D, 2003) (Roy J. Dossat 1997)

24

Figura 10. Calor Latente.

(http://www.araucaria2000.cl/quimica/estados.jpg)

Figura 11. Gráfica del calor sensible y calor latente.

(http://www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/ap1/calor05.gif)

2.1.6.6 Entalpía

Entalpía es la cantidad de energía de un sistema termodinámico que éste

puede intercambiar con su entorno. Un ejemplo seria, en una

reacción química a presión constante, el cambio de entalpía del sistema es el

calor absorbido o desprendido en la reacción. En un cambio de fase, por

25

ejemplo de líquido a gas, el cambio de entalpía del sistema es el calor latente,

en este caso el de vaporización. En un simple cambio de temperatura, el

cambio de entalpía por cada grado de variación corresponde a la capacidad

calorífica del sistema a presión constante. (Roy J. Dossat 1997)

[2.8]

(Roy J. Dossat 1997)

Donde

= entalpia en (julios)

= energía interna

= presión

= volumen

2.1.6.7 Entropía

Es una medida de la termodinámica, que representa a la fracción de energía en

un sistema que no está disponible para poder realizar o llevar a cabo un trabajo

específico. Puede también ser definida como una medida del orden o

restricciones para llevar a cabo un trabajo. (Roy J. Dossat 1997)

2.1.7 PSICOMETRIA DEL AIRE

La psicometría es el análisis de las propiedades termodinámicas del aire, el uso

de esas propiedades y condiciones para la transferencia del calor del mismo.

Psicometría estudia las propiedades de la mezcla aire-vapor.

Cuando nos referimos a propiedades del aire, nos referimos a propiedades del

aire seco, del vapor de agua y de su mezcla (aire húmedo). (Roy J. Dossat

1997)

26

2.1.7.1 Composición del aire

Nuestra atmósfera terrestre está compuesta por:

Nitrógeno 78% y Oxígeno 21%. El 1% restante lo forman el argón 0,9%, el

dióxido de carbono 0,03%, distintas proporciones de vapor de agua, y trozos de

hidrógeno, ozono, metano, monóxido de carbono, helio, neón, criptón y xenón.

(Roy J. Dossat 1997)

Figura 12. Composición del aire.

(http://www.fullquimica.com/2011/11/propiedades-fisicas-del-aire.html)

2.1.7.2 Humedad relativa o saturación relativa

Se refiere al contenido o cantidad de vapor de agua del aire. La humedad

relativa es una medida del contenido de humedad del aire y, en esta forma, es

útil como indicador de la evaporación, transpiración y probabilidad de lluvia

convectiva. Sin embargo, los valores de humedad relativa tienen la desventaja

de que dependen fuertemente de la temperatura del momento. Si la

temperatura atmosférica aumenta y no se producen cambios en el contenido de

vapor, la humedad absoluta no varía mientras que la relativa disminuye. Una

caída de la temperatura incrementa la humedad relativa produciendo rocío.

(Fernández D, 2003) (Roy J. Dossat 1997)

27

Figura 13. Diagrama Psicométrico del aire.

(Roy J. Dossat 1997)

La carta psicométrica es una carta que representa las propiedades

psicométricas del aire, y permite el análisis de datos psicométricos y procesos

facilitándose la solución de muchos problemas relacionados con el aire y su

humedad, que de otra manera se necesitaría soluciones matemáticas que nos

tomarían más tiempo.

28

2.1.7.3 Volumen específico

Es el volumen que ocupa la mezcla que contiene una unidad de masa de gas,

la cual se calcula mediante la ecuación del estado gaseoso ideal. (Roy J.

Dossat 1997)

[2.9]

(Roy J. Dossat 1997)

P= es la presión

V= el volumen

R= es una constante

T= la temperatura

m= la masa del gas.

2.1.7.4 Calor específico

Corresponde a una mezcla vapor-gas, y esta se define como la cantidad de

calor que hay que suministrar a una unidad másica de gas y al vapor que

contiene, para elevar un grado de temperatura, manteniendo la presión

constante. (Fernández D, 2003) (Roy J. Dossat 1997)

2.1.7.5 Humedad absoluta

Es la cantidad de agua presente en un m³ aire por unidad de masa de aire seco

y puede expresarse en g/m³. (Roy J. Dossat 1997)

29

2.1.7.6 Humedad específica

Mide el número de grados de vapor de agua por cada gramo de aire húmedo.

(Roy J. Dossat 1997)

2.1.7.7 Temperatura del punto de rocío

Temperatura de Rocío es la temperatura que alcanza una mezcla vapor-

gas, cuando se enfría a presión constante, por debajo de la cual se forma la

primera gota de vapor condensado persistiendo las condiciones de saturación.

(Pita E, 1991)

Figura 14. Gota de vapor condensada.

(http://farm3.staticflickr.com/2613/3966991161_443be78250_z.jpg?zz=1)

2.1.7.8 Temperatura de termómetro seco

Es la temperatura del aire cuando se la mide con un termómetro común y

corriente. (Pita E, 1991)

30

2.1.7.9 Temperatura de termómetro húmedo

Es la temperatura del aire medida con un termómetro cuyo bulbo está

recubierto con una gasa húmeda, que se coloca en una corriente de aire

rápido, mediante este método se consiguen datos para medir o determinar el

calor contenido en el aire. (Pita E, 1991)

2.1.8 REFRIGERANTES

Refrigerante es un cuerpo o substancia que actúe como agente de

enfriamiento, que absorbe calor de otro cuerpo o substancia. El líquido absorbe

calor cuando tiene una baja presión y cambia de fase (líquido a vapor) y lo

libera cuando está en alta presión y en fase gaseosa. (Negri, 1999)

2.1.8.1 Propiedades de un refrigerante

Un refrigerante debe ser entre sus propiedades:

Químicamente inerte y no ser inflamable, ni tóxico, ni explosivo, ya sea

en estado puro como cuando este mezclado con el aire en determinada

proporción.

No debe tener una reacción desfavorablemente con aceites o diversos

materiales que se emplean cuando se construyen equipos frigoríficos.

No debe tener una mala reacción con la humedad, que casi siempre se

encuentra en toda instalación a pesar de los debidos cuidados.

No debe ser contaminante en caso de fugas.

Deberá tener altas características térmicas y físicas que permitan la

máxima capacidad de refrigeración utilizando la mínima potencia.

Toda temperatura de descarga de cualquier refrigerante se reduce a

medida que baja la relación de compresión. Por lo que se desea que la

31

temperatura de descarga sea la más baja posible para alargar la vida del

compresor.

Se requiere que el coeficiente de conductancia sea lo más elevado

posible para reducir el tamaño y costo del equipo de transferencia de

calor.

En caso de fuga la relación presión-temperatura debe ser tal que la

presión en el evaporador para la temperatura de trabajo sea superior a la

atmosférica, para evitar la entrada de aire y de humedad.

En cuanto concierne a la temperatura y presión crítica, el punto de

congelación deberá ser inferior a la temperatura mínima de trabajo.

Y por último el refrigerante deberá ser de bajo precio y fácil

disponibilidad. (Pita E, 1991) (Roy J. Dossat, 1997)

2.1.8.2 Efecto de la humedad

La humedad es la composición natural de vapor de agua que no es amiga en

los sistemas de refrigeración, ya que al combinarse el agua con el refrigerante

obtenemos sustancias nocivas como ácidos que pueden reaccionar con los

lubricantes y metales, produciendo que estos se corrosiónen y desgasten,

dañando los componentes del sistema. (Pita E, 1991) (Roy J. Dossat, 1997)

32

2.1.8.3 Tipos de refrigerantes y su clasificación

Figura 15. Tipos de refrigerante.

(http://pbnihispano.org/html//images/stories/gome3.gif)

Existen diferentes tipos de refrigerantes y se clasifican por su composición, los

cuales son:

1. Clorofluorocarbonos CFCS:

Son compuestos que consisten en cloro, flúor y carbono. Como no contienen

hidrógeno, los refrigerantes CFC son de baja toxicidad, no son corrosivos, y no

reaccionan con la mayoría de materiales, Pero debido a su composición a base

de cloro, están dañando la capa de ozono. Permanecen en la atmósfera de 60

a 1700 años.

Los que más se conocen en el mercado de CFC’s son R11, R12, R113, R114,

R115, R500, R502 y R503.

33

2. Hidroclorofluorocarbonos HCFCS:

Los hidroclorofluorocarbonos (HCFCs) están ubicados en la segunda categoría

de los refrigerantes, estos son compuestos conformados por la reacción

química entre metano o etano con una combinación de halógenos; ya que en

su composición también contiene hidrógeno lo que los hace químicamente

menos estables que los CFCs una vez que suben a la atmósfera, y

permanecen menos tiempo en ella. Tienen un potencial de agotamiento muy

bajo y varía de 0.001 a 0.11. Se espera que en los países en desarrollo su uso

sea hasta el año 2040.

Entre los más conocidos HCFCs se tiene R22, R123, R124, R401a, R401b, etc.

3. Hidrofluorocarbonos HFCs:

Son compuestos que contienen hidrógeno, flúor y carbono. Son carentes de

cloro, por lo tanto no dañan la capa de ozono. En los últimos años se lo

considera como uno de los refrigerantes de mayor uso en la industria.

Los más conocidos de los HFCs son el R134a, R23 y el R125.

4. Hidrocarburo:

Estos refrigerantes también llamados ecológicos, obtenidos a partir de

sustancias totalmente orgánicas como los hidrocarburos son muy amigables

con el medio ambiente y la capa de ozono.

El refrigerante más conocido de origen orgánico es R600a.

(Pita E, 1991) (Roy J. Dossat, 1997)

34

2.1.8.4 Impacto ambiental

Está comprobado que la capa de ozono trabaja como una capa protectora que

nos protege de las radiaciones solares, pero esta se a ido deteriorando

especialmente en los polos del planeta debido al excesivo uso de los

clorofluorocarburos que están presentes generalmente en refrigerantes y en

aerosoles, lo que daña la capa de ozono de estos CFCs es la presencia de

cloro en ellos, a más de dañar la capa de ozono produce un efecto invernadero.

Debido a estos problemas las naciones comenzaron a establecer restricciones

legales para su comercialización mediante protocolos, el primer protocolo para

reducir en un 50% las emisiones de CFCs fue el Protocolo de Montreal en

1989, hasta que llego el Protocolo de Kioto que pretendería reducir totalmente

a cero estas emisiones destructivas.

El uso del R-12 ha sido muy notable por muchos años pero debido a su alto

nivel de destrucción de la capa de ozono ha sido sustituido por el R134a

perteneciente a la familia de los Hidrofluorocarbonos que al no contener cloro

en su composición son menos agresivos con el medio ambiente también han

sido sujetos a restricciones, siendo también incluidos en el protocolo de Kioto.

(Jorge Puebla, 2005)

Figura 16. Agujero capa de ozono.

(http://pocimasypucheros.blogia.com/upload/20070511214232-agujero.jpg)

35

Debido a todo este impacto causado por estos componentes no amigables con

la capa de ozono se ha optado por la reciclación y recuperación de estos

refrigerantes automotrices. Esto se lo hace mediante unos aparatos que a más

de recargar los sistemas de climatización del vehículo permite recuperar el

refrigerante, estos procesos se los denomina estaciones automáticas de

recuperación, reciclado y recarga del refrigerante. Después de su recuperación,

se reduce la presencia de elementos contaminantes con una mezcla de

humedad, aire, aceite, hasta los valores especificados por las normativas SAE

J 1991 para el R12 y SAE J 2099 para el R134a. Ya que en la mayoría de

países de acuerdo con su legislación vigente, es prohibida la eliminación del

refrigerante al ambiente, entonces este proceso de recuperación de

refrigerantes es muy factible y acogido por todos. (Jorge Puebla, 2005)

Figura 17. Estación automática de recuperación, reciclado y recarga de

refrigerante.

(http://rie.cl/?a=371533)

36

2.2 AIRE ACONDICIONADO AUTOMOTRIZ

2.2.1 INTRODUCCIÓN

El objetivo y propósito del Aire Acondicionado automotriz es brindar confort y

comodidad a una persona dentro del vehículo, confort es la sensación de

satisfacción física relacionada con el ambiente que lo rodea. Estos parámetros

son útiles para el diseño de sistemas. (Negri, 1999)

2.2.2 PARTES DEL SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO

Compresor

Condensador

Evaporador

Dispositivos reguladores de presión: Válvula de expansión térmica.

Depósito - secador

Acumulador

Figura 18. Partes sistema aire acondicionado.

(http://autoclimas-velazquez.com/wp-content/uploads/2012/01/Sistema11.jpg)

37

Figura 19. Partes del ciclo de aire acondicionado.

(Roy J. Dossat 1997)

2.2.2.1 Compresor

El compresor es el elemento principal del sistema, su misión es comprimir el

gas refrigerante, su potencia la recibe mediante el motor a través de una banda

de transmisión. Los sistemas de aire acondicionado están divididos en dos

partes, la de alta presión y la de baja presión; también denominados descarga

y succión respectivamente. (Negri, 1999) (Dwinggins, 1997)

Funcionamiento:

El líquido refrigerante entra en el compresor donde el siguiente paso es

comprimir su volumen. Esta compresión provoca un aumento de temperatura y

cuando aumenta la presión y la temperatura, aumenta también el punto de

ebullición, después el líquido refrigerante pasa al condensador.

38

Se puede decir que un compresor funciona cuando eleva la presión,

temperatura y punto de ebullición del refrigerante, por encima de los del aire

circundante.

Figura 20. Compresor.

(http://www.triple3a.com/9.jpg)

Figura 21. Compresor automotriz.

(http://www.redlatinahouston.com/images/houstoncompressor.jpg)

39

2.2.2.1.1 Tipos de compresores

Para el sector automotriz los compresores se clasifican de la siguiente manera:

Tipos de movimiento alternativo tipo pistón

Tipo rotatorio por paletas transversales

1. Compresor tipo de movimiento alternativo tipo pistón

Este compresor tipo pistón es muy similar al funcionamiento al motor de

combustión del auto y puede ser de efecto simple para baja presión o doble

para alta presión. Estos pistones, cojinetes y válvulas requieren lubricación.

Características:

Ruidoso y pesado.

Fluido de aire intermitente.

Funciona en caliente (hasta 220° C).

Necesita mantenimiento costoso periódico.

Alta presión con moderado volumen.

Los compresores de pistón están divididos en dos partes:

Los de efecto simple: Baja presión, se usan generalmente en talleres

para pintar, soplar, inflar neumáticos, operar herramientas neumáticas,

etc.

Los de efecto doble (Duplex): Son utilizados para altas presiones en

sistemas de compresión de gases a licuados, etc.

40

2. Efecto simple:

Estos compresores son lubricados por salpicadura del cárter con aceites R&O

o aceites hidráulicos con aditivos AW. Estos aceites no deben tener

detergentes/dispersantes (como tienen los aceites de motor) por lo que estos

aditivos absorban la humedad condensada y causan herrumbre. Los aceites

R&O e hidráulicos contienen aditivos demulsificadores que decantan el agua en

el fondo del cárter para poder ser drenado.

3. Efecto doble:

Los compresores a pistón de doble efecto (Duplex) generalmente tienen un

sistema doble de lubricación, utilizando aceites R&O para los cojinetes y

aceites hidráulicos AW (aditivo anti desgaste) sin cenizas para los pistones,

esto reduce la fricción en los cilindros donde ocurre más de 75% de la fricción,

mientras la larga vida del aceite R&O es aprovechado en la lubricación

hidrodinámica de los cojinetes.

Figura 22. Compresor tipo pistón.

(http://1.bp.blogspot.com/_tNDQnIGR8GA/S8RB37aP-

jI/AAAAAAAAACA/2r7GU2pjCXA/s1600/Imagen2.jpg)

41

4. Compresor tipo rotatorio por paletas transversales:

El funcionamiento principal del compresor tipo paletas rotativas es el giro del

eje que gira a alta velocidad, mediante este giro se produce una fuerza

centrífuga que lleva las paletas hacia la carcasa (estator) de afuera. Por la

carcasa ovalada, continuamente entran y salen por canales en su rotor. Su

funcionamiento es parecido al convertidor de par motor del automóvil, que

funciona con paletas.

Debido a la excentricidad de la cámara, los compartimientos llenos de aire

entre paletas se achican entre el orificio de entrada y el de salida,

comprimiendo el aire. En tanto al lubricante, este sella las paletas en el rotor y

contra el anillo de la carcasa.

Características:

Silencioso y pequeño

Flujo continuo de aire

Buen funcionamiento en frío

Sensibles a partículas y tierra

Fácil mantenimiento

Presiones y volúmenes moderados

La lubricación en este sistema se produce cuando los cojinetes del rotor

trabajan en un régimen de lubricación hidrodinámica mientras las paletas frotan

sobre el anillo de la carcasa en lubricación hidrodinámica y límite. Por lo que

mucho del régimen de lubricación es límite, se requiere aceite con aditivos AW

(antidesgaste) inyectado o pasado por conductos con el aire. Típicamente se

usa aceite hidráulico ISO (VG) 32, 46 o 68; aceite hidráulico SAE 10W o aceite

de motor.

42

Los aceites de motor tienen la ventaja que absorben la humedad y condensado

para llevarla con el aire, (evitando chupar agua decantada en el fondo) pero la

desventaja que un exceso de humedad puede causar la precipitación de sus

aditivos o corrosión si el compresor queda parado mucho tiempo con aceite

contaminado. Adicionalmente a la necesidad de aditivos antidesgaste, se

requiere un aceite de buena resistencia a la oxidación a altas temperaturas, ya

que estos compresores pueden llegar a 200° C. Estas temperaturas requieren

un índice de viscosidad natural muy alto para mantener su viscosidad y evitar

cizallamiento. Cualquier depósito de barniz que resulta de la oxidación del

aceite puede llenar las ranuras del rotor, evitando el suave y seguro

movimiento de las paletas. (Negri, 1999) (Dwinggins, 1997)

Figura 23. Compresor tipo paletas transversales.

(http://raa-negrete-navarro-rene.blogspot.com/2010_09_01_archive.html)

2.2.2.2 Condensador

En el condensador es donde ocurre la disipación del calor. La forma del

condensador es muy similar y parecido al radiador ya que los dos tienen la

misma función. Este componente fue hecho y diseñado para disipar calor, y su

ubicación es frente al radiador y a la salida del compresor, esto depende del

modelo del auto debido al diseño de su carrocería.

43

El condensador debe tener un buen flujo de aire siempre que el sistema esté

en funcionamiento. Dentro del condensador, el gas refrigerante proveniente del

compresor, que se encuentra caliente, es enfriado; durante el enfriamiento, el

gas se condensa para convertirse en líquido a alta presión.

Existen varios tipos de condensador:

Serpentín de tubos de cobre y aletas de aluminio

Serpentín de tubo extrusionado plano, reticulado de aluminio y aletas de

aluminio

De flujo paralelo y multiflujo

De flujo paralelo serpentines y aletas

Sus diferentes materiales y formas solo sirven para una mejor disipación del

calor. (Negri, 1999) (Dwinggins, 1997)

Funcionamiento:

El refrigerante ingresa en forma de vapor por la parte superior del condensador.

Conforme el refrigerante desciende por el serpentín del condensador el calor es

transmitido y disipado hacia el ambiente externo. Cuando este calor sale hacia

el exterior el refrigerante pasa de estado gaseoso a líquido, este calor se le

denomina calor latente de condensación. Mientras el vapor sufre el proceso de

cambio de estado no es posible medir con un termómetro el intercambio de

calor.

44

Figura 24. Condensador.

(http://www.todomonografias.com/images/2007/02/100366.gif)

Figura 25. Condensador automotriz.

(http://www.conexiondigital.org/climasdetabasco/AC_Condenser.jpg)

2.2.2.3 Evaporador

Su ubicación es dentro del habitáculo del vehículo, y su función es recoger y

absorber calor y excesos de humedad de la cabina del mismo.

Existen diferentes tipos de evaporadores:

1. Serpentín múltiple de tubos y aletas.

45

2. Serpentín de tubo plano foliculado con aletas.

3. Panal de placas y aletas.

Funcionamiento:

El líquido refrigerante ingresa por el fondo del evaporador como líquido a baja

presión, después el aire caliente que pasa a través de las aletas del evaporador

hace que el refrigerante dentro de los tubos se evapore; mientras que la

excesiva humedad se condensa en las mismas, también las partículas de polvo

que lleva el aire se adhieren a su vez a la superficie mojada de las aletas, por

último el agua se drena al exterior. (Negri, 1999) (Dwinggins, 1997)

Figura 26. Evaporador automotriz.

(http://2.bp.blogspot.com/_9p2g1ghWJKU/S9Tgq384iCI/AAAAAAAAAD0/_chgd

0IHWE8/s320/evaporador.jpg)

2.2.2.4 Válvula de expansión

Como en todo sistema de refrigeración, se necesita que de alguna forma se

reduzca la presión, para eso se ha implementado en el sistema de aire

acondicionado automotriz la válvula de expansión que cumple con este efecto.

46

Su ubicación es en el lado de admisión del evaporador. Este regulador como

principal función es encargase de reducir la presión del sistema pulverizando

el refrigerante y también mide tanto la temperatura como la presión.

Este es el dispositivo que separa el lado de presión alta del de baja presión.

(Negri, 1999) (Dwinggins, 1997)

Funcionamiento:

El refrigerante líquido sale por un orificio provocando la expansión de líquido y

se convierte en refrigerante pulverizado a baja presión y baja temperatura.

Figura 27. Válvula de expansión.

(http://mail4.ansal.com.ar/Documentacion/pdfs/356090.pdf)

47

Figura 28. Válvula de expansión automotriz.

(http://coolforce.com.mx/tienda/images/31-30927.jpg)

2.2.2.5 Tubo orificio

El uso de este dispositivo es muy común en el sistema de aire acondicionado

automotriz, con él se regula la presión y es muy utilizado en algunas marcas de

automotores muy conocidos en el mercado. Su ubicación es en el interior del

tubo de entrada del evaporador, o en la línea de líquido, en algún lugar entre el

condensador y la entrada del evaporador. Es fácil reconocer y ubicar este tubo

ya que solo se necesita del tacto, localizando el punto donde se siente que el

refrigerante cambia de temperatura de caliente a frío, y también porque es un

tubo que siempre viene en colores llamativos. (Negri, 1999) (Dwinggins, 1997)

48

Figura 29. Tubo orificio.

(http://inverprimos.com/imagenes/banco/1378.jpg)

2.2.2.6 Depósito-secador

Este elemento pertenece en el lado de alta presión de los sistemas con una

válvula de expansión térmica. Para tener la seguridad de q solo refrigerante

entrara en esta válvula se utiliza este elemento que es el depósito – secador,

este se encarga de separar el gas y el líquido, igualmente elimina la humedad

y filtra las impurezas. Este elemento cuenta con un vidrio de nivel en la parte

superior, por el cual se recarga el sistema; en condiciones normales, las

burbujas de vapor no deben ser visibles por el vidrio de nivel. (Negri, 1999)

(Dwinggins, 1997)

49

Figura 30. Estructura depósito secador.

(Julio Vallejo, 2013)

2.2.2.7 Acumulador

El acumulador generalmente se usa en los sistemas que tienen tubo orificio, y

están ubicados a la salida del evaporador. En el acumulador es donde se

almacena el exceso de líquido que no fue evaporado, si este líquido pasa al

compresor éste se puede dañar; la otra función secundaria del acumulador es

eliminar la humedad y las impurezas. (Negri, 1999) (Dwinggins, 1997)

Figura 31. Acumulador.

(http://www.thaya.net/Acumuls.jpg)

50

2.3 CICLO DE AIRE ACONDICIONADO

2.3.1 INTRODUCCIÓN

Acondicionamiento del aire es un proceso o método para controlar la

temperatura de un vehículo, hogar, oficina o área industrial y tiene como fin

establecer estándares requeridos de temperatura, humedad, limpieza, y

circulación del aire.

El control de cada una de estas condiciones consiste en:

1. Temperatura: En esta condición se requiere el enfriamiento del aire.

(Enfriamiento: eliminación de calor).

2. Humedad: Aquí se requiere sacar o retirar el vapor de agua del aire a

este proceso se lo llama deshumidificación.

3. Limpieza: En esta parte se controla la pureza del aire, mediante la

utilización de filtros y otros componentes que limpian el aire que viene

del exterior al interior, de este modo se controla y disminuye la cantidad

de contaminantes en el aire.

4. Circulación de aire: Se refiere y se controla el movimiento del aire y su

velocidad, esto se lo hace mediante equipos adecuados de distribución

del aire.

En el ciclo de refrigeración circula un refrigerante (para reducir o mantener la

temperatura de un ambiente por debajo de la temperatura del entorno se debe

extraer calor del espacio y transferirlo a otro cuerpo cuya temperatura sea

inferior a la del espacio refrigerado, todo esto lo hace el refrigerante) que pasa

51

por diversos estados o condiciones, cada uno de estos cambios se denomina

procesos.

El refrigerante comienza en un estado o condición inicial pasando por una serie

de procesos según una secuencia definitiva y vuelve a su condición inicial. Esta

serie de procesos se denominan "ciclo de refrigeración”. El ciclo de

refrigeración simple se compone de cuatro procesos fundamentales.

Figura 32. Ciclo ideal de refrigeración.

(http://www.hablandodeciencia.com/articulos/wp-content/uploads/Ciclo-de-

Refrigeracion.jpg)

2.3.2 EXPANSIÓN

El refrigerante comienza en un estado líquido, y a una temperatura y presión

alta, después fluye del receptor hacia el control del flujo del refrigerante. La

presión del líquido se reduce a la presión del evaporador cuando el líquido

pasa por el control de flujo de refrigerante, de tal forma que la temperatura de

saturación del refrigerante que entra en el evaporador es inferior a la

temperatura del ambiente refrigerado. Una parte del líquido se evapora al pasar

por el control del refrigerante para reducir la temperatura del líquido hasta la

temperatura de evaporización. (Roy J. Dossat, 1997)

52

Figura 33. Gráfica Presión-Entalpía, Expansión Isoentálpica.

(http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/9d/Diagrama_Ph.jpg/4

00px-Diagrama_Ph.jpg)

En todo el transcurso del refrigerante en la Figura 33, donde la línea más roja

es el recorrido del mismo refrigerante se puede decir que la entalpía es la

misma o igual.

2.3.3 EVAPORIZACIÓN

Cuando llega al evaporador el líquido se evapora a una temperatura y presión

constante, mientras el calor necesario para el suministro de calor latente de

evaporación pasa de las paredes del evaporador hacia el líquido que se

evapora. Todo el refrigerante se evapora en el evaporador. (Roy J. Dossat,

1997)

53

Figura 34. Gráfica Presión-Entalpía, Vaporación Isobárica.

(http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/9d/Diagrama_Ph.jpg/4

00px-Diagrama_Ph.jpg)

Se puede observar en la Figura 34 que la entalpía en el efecto refrigerante es

mayor que al inicio.

2.3.4 COMPRESIÓN

Debido al compresor el vapor que resulta de la evaporación se lleva por la línea

de aspiración desde el evaporador hacia la entrada de aspiración del

compresor. En el compresor, la temperatura y presión del vapor aumenta

debido a la compresión. El vapor de alta temperatura se descarga del

compresor en la línea de descarga. (Roy J. Dossat, 1997)

54

Figura 35. Gráfica Presión-Entalpía, Compresión Isentrópica.

(http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/9d/Diagrama_Ph.jpg/4

00px-Diagrama_Ph.jpg)

Se puede observar en la Figura 35 que existe un aumento de la entalpia del

refrigerante conjuntamente con un aumento de presión significatoria.

2.3.5 CONDENSACIÓN

En este proceso el vapor fluye por la línea de descarga hacia el condensador

donde evacua calor hacia el aire relativamente frío que el ventilador del

condensador hace circular a través del condensador. Cuando el vapor caliente

evacua calor hacia el aire más frío, su temperatura se reduce a la nueva

temperatura de saturación que corresponde a la nueva presión y el vapor se

condensa, volviendo al estado líquido. Antes de que el refrigerante alcance el

fondo del condensador se condensa todo el vapor y luego se subenfria. A

continuación el líquido subenfriado pasa al receptor y queda listo para volver a

circular. (Roy J. Dossat, 1997)

55

Figura 36. Gráfica Presión-Entalpía, Condensación Isobárica.

(http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/9d/Diagrama_Ph.jpg/4

00px-Diagrama_Ph.jpg)

Figura 37. Ciclo del refrigerante expansión, evaporación, compresión

condensación.

(Roy J. Dossat 1997)

56

CAPÍTULO 3

SELECCIÓN, CONSTRUCCIÓN Y MONTAJE DEL

BANCO DE PRUEBAS DE AIRE ACONDICIONADO

AUTOMOTRIZ

3.1 GENERALIDADES

Después de una introducción, estudio de los conceptos básicos, en cuanto a la

los principios de refrigeración, sus ciclos y sus partes, procedemos a la

selección de los elementos y componentes previo a la construcción y montaje

del banco de pruebas de climatización automotriz.

El propósito de este proyecto construir un banco pruebas de aire

acondicionado, que cumplan conceptos y recomendaciones de un fabricante de

equipos de refrigeración. La construcción de este sistema se lo hará siguiendo

una guía de construcción del fabricante para luego hacer las respectivas

pruebas, y rendimiento del mismo en la Universidad Tecnológica Equinoccial.

Se utilizara un refrigerante R134a de Freón (HIDROFLUOROBCARBONO) que

se rige a las normas y protocolos, para el debido cuidado hacia nuestro

planeta.

Previo a la selección de los componentes evaluaremos mediante una matriz de

priorización las alternativas, opciones y criterios para la selección del banco de

aire acondicionado, y así priorizar y seleccionar de entre otras marcas el por

qué fue que elegimos la marca genérica para Chevrolet.

57

Tabla 1. Matriz de priorización

(Julio Vallejo, 2013)

Mediante esta matriz se determina por valor más alto con un total de 22 puntos,

que el sistema de aire acondicionado genérico es el más apto para

implementarse a una banco de pruebas de climatización automotriz, ya que es

manipulable para pruebas, fácil reemplazar sus repuestos, es adaptable para

banco de pruebas, sus costos son muy baratos y su mantenimiento es sencillo.

3.2 SELECCIÓN DE COMPONENTES

El sistema que se eligió, debido sus características y su función es un sistema

genérico con las siguientes características.

Tabla 2. Características Aire Acondicionado.

Marca: Sanden

Procedencia: China

Año de fabricación: 2012

Modelo: TM-10

(Julio Vallejo, 2013)

58

3.2.1 COMPRESOR

El compresor es considerado como el componente más importante del aire

acondicionado, así como el corazón en el cuerpo humano.

Tiene la función de incrementar la presión del refrigerante dentro del sistema

de A/A, con el fin de que se condense más rápido a su ingreso en el

condensador.

El compresor del sistema es un compresor hermético de 5 cilindros.

Figura 38. Compresor Sanden TM 10

(Julio Vallejo, 2013)

59

Tabla 3. Características Compresor.

Marca compresor: Sanden

Modelo compresor: TM 10

Tipo de culata: Sin Válvula de escape

Polea número de canales: 5

Refrigerantes: R134a

Voltaje: 12v

Cilindros: 5

(Julio Vallejo, 2013)

Este compresor es accionado mediante una polea de 5 canales el cual es

impulsado por un motor eléctrico de 2HP, el refrigerante que ingresa en el

compresor se encuentra en estado gaseoso a baja presión que sale desde el

evaporador y es expulsado después directamente con alta presión hacia el

condensador.

3.2.2 CONDENSADOR

El condensador en el automóvil está ubicado al frente del radiador con el

propósito de condensar el vapor atomizado que viene en forma de gas desde el

compresor. Dentro de este el refrigerante ingresa con una temperatura y

presión alta, y en su interior se condensa cambiando a estado líquido, con baja

temperatura y presión, en su salida.

60

Figura 39. Condensador genérico Otero

(Julio Vallejo, 2013)

Tabla 4. Características Condensador.

Marca: OTERO

Material: Aluminio

Año: 2012

Modelo: Genérico Grand Vitara

Dimensiones: 510 X 300mm

Tipo: De tubo, aletas corrugadas

(Julio Vallejo, 2013)

Este condensador viene unido a un ventilador de Radio: 16cm que funciona

con un voltaje de 12V que provee la batería, este ventilador tiene la función de

dispersar el calor del condensador para que el gas refrigerante se transforme

en líquido.

61

3.2.3 FILTRO SECADOR

El filtro secador se encuentra después de la salida del condensador en el lado

de alta presión del sistema y su salida se conecta directamente con la válvula

de expansión.

Tiene la función de deshumidificar el sistema, filtrar las impurezas y almacenar

temporalmente el refrigerante ya licuado. Es un cilindro, metálico, con dos

tubos o conexiones, uno de entrada y otro de salida del refrigerante, en algunos

casos posee una mirilla de observación, en su interior tiene filtros y elemento

desecador que es el cual quita la humedad dentro del sistema.

Figura 40. Filtro secador.

(Julio Vallejo, 2013)

62

Tabla 5. Características Filtro secador.

Características técnicas: Material de acero con un peso máximo de 500g.

50g de Desecante en el interior

Retención del 15% de agua

Resistente a vibraciones

(Julio Vallejo, 2013)

3.2.4 VÁLVULA DE EXPANSIÓN

La válvula de expansión o más conocida como VET (válvula de expansión

térmica), se encuentra a la entrada del evaporador, el trabajo de este

dispositivo es regular, pulverizar el líquido refrigerante que salió del filtro

secador, mediante un pequeño orificio que permite que pase una pequeña

cantidad de refrigerante que se regulara dependiendo la temperatura del

evaporador. Mediante este proceso el refrigerante hace su ingreso a la zona de

baja presión.

Figura 41. Válvula de Expansión.

(Julio Vallejo, 2013)

63

Tabla 6. Características Filtro secador.

Marca: Genérico

Procedencia: China

Material: Aluminio

Tipo: H

(Julio Vallejo, 2013)

3.2.5 EVAPORADOR

El evaporador de para el banco de pruebas es de tipo de tubo con aletas

corrugadas y su material es de aluminio, la función principal del evaporador es

el opuesto al condensador, cuando el líquido refrigerante es pulverizado por la

válvula de expansión y hace su ingreso al evaporador y disminuye su presión

este comienza a hervir, y cuando esto sucede absorbe calor del aire que

atraviesan las aletas del evaporador, enfriando el aire a su salida.

Figura 42. Evaporador.

(Julio Vallejo, 2013)

64

Tabla 7. Características Evaporador.

Marca: Genérico Chevrolet

Procedencia: China

Material: Aluminio

Tipo: Tubo, aletas corrugadas

(Julio Vallejo, 2013)

3.2.6 VENTILADORES

Se utiliza dos ventiladores en el banco de pruebas, los cuales tienen la función

de disipar el calor y crear un flujo de aire caliente y empujarlo hacia afuera del

sistema a través de las aletas del condensador, y también generar flujo de aire

frio a través de las aletas del evaporador.

Figura 43. Ventilador axial del condensador.

(Julio Vallejo, 2013)

65

Figura 44. Ventilador axial del evaporador.

(Julio Vallejo, 2013)

Tabla 8. Características ventiladores.

Marca: Almasa

Voltaje: 12v

Tipo: Axial

Características técnicas:

Diametro:300mm-1250CFM 240mm-1041CFM respectivamente

R.P.M 2250 y 2083

(Julio Vallejo, 2013)

3.2.7 TERMOSTATO

El termostato está en contacto directo con el evaporador. Este dispositivo de

control reacciona con los diferentes cambios de temperatura, los que

provocaran apertura, interrupción, conexión o desconexión del embrague

eléctrico del compresor. Esto es posible gracias a un pequeño sensor que está

ubicado estratégicamente entre las aletas del evaporador.

66

La función principal de este dispositivo es apagar o desembragar el compresor

para iniciar el proceso de desencarche de las aletas del evaporador que se ha

llenado de trozos de hielo que se da por la condensación del aire en sus aletas,

evitando así la formación de hielo y continuar el flujo de aire frío hacia adentro

del vehículo.

Figura 45. Termostato

(Julio Vallejo, 2013)

Tabla 9. Características termostato.

Marca: Genérico

Resistencia: 0-800 Ω

Temperaturas: 00C a 400C

(Julio Vallejo, 2013)

3.2.8 MOTOR ELÉCTRICO

La incorporación del motor eléctrico para el banco de pruebas es

indispensable, ya que este es el que moverá y dará funcionamiento al

compresor por medio de una banda. Este motor eléctrico es de 2HP de

67

potencia y una velocidad de 3525rpm en corriente alterna, las cuales serán

suficiente para poner en marcha al compresor.

La selección del motor eléctrico se la hace mediante una comparación cinética

entre las poleas del cigüeñal y compresor de un motor de un automóvil en las

mínimas condiciones de funcionamiento con las poleas del motor eléctrico y

compresor del banco de pruebas

Relación motor Automóvil: Relación para motor eléctrico banco de pruebas:

Velocidad (v): 750rpm 3525rpm

Relación poleas (Rp):11/15 11/9

Potencia (P): 15.6Hp 2Hp

[3.1]

Tomando la relación de potencia y velocidad de un motor de vehículo pequeño

en las mínimas condiciones de funcionamiento, se puede sacar la relación de

potencia y velocidad para el motor eléctrico requerido para el banco de pruebas

según las poleas usadas para transmisión hacia el compresor.

En este caso la relación es similar (8550 y 8616) por lo tanto el motor eléctrico

con 3525rpm y 2hp va a ser totalmente adaptable y transmitir movimiento y

potencia al compresor del banco de pruebas.

68

Figura 46. Motor eléctrico.

(Julio Vallejo, 2013)

Tabla 10. Características motor eléctrico.

Marca: Weg

Procedencia: Brasil

Año: 2011

Modelo: MO01C0x0000101746

Potencia: 2HP

Voltaje: 220v Trifásico

Amperaje: 11.45A

Frecuencia: 60hz

(Julio Vallejo, 2013)

3.2.9 BATERÍA

La principal fuente de energía del banco de pruebas de aire acondicionado es

la batería, por esta razón se ha hecho la selección de una batería que pueda

abastecer las necesidades eléctricas para la activación de la mayoría de los

componentes que se activan eléctricamente.

69

Como el aire acondicionado se usa en automóviles, el estándar de baterías es

de 12V; por lo cual se usa una con estas características ya que se pueden

encontrar en el mercado y funciona con la mayoría de vehículos pequeños y

medianos.

Figura 47. Batería

(Julio Vallejo, 2013)

Tabla 11. Características Batería.

(Julio Vallejo, 2013)

Marca: Mac

Procedencia: Colombia

Voltaje: 12V

Amperaje: 600A/hora

Cap reserva: 73min

70

3.2.10 MANIFOLD DE CARGA

Se ha seleccionado un juego de manómetros para el banco de pruebas, que

cumpla las funciones de medir presiones y sus respectivas temperaturas

durante la carga, descarga, pruebas de presión y puesta en vacío del sistema.

Este juego de manómetros es especial para tipos de refrigerante R12 y R134a.

Figura 48. Manómetros y sus acoples.

(Julio Vallejo, 2013)

3.2.11 DIAGRAMA Y COMPONENTES ELÉCTRICOS

El banco de pruebas comprende los componentes básicos para el

funcionamiento de un banco de pruebas de aire acondicionado, se ha adaptado

de la forma más sencilla para que el estudiante pueda hacer las respectivas

pruebas sin ninguna complicación en cualquier parte del banco de pruebas, ya

sea tanto en la parte mecánica como en la parte eléctrica. Básicamente

comprende de una fuente que provee de energía a la mayoría de

componentes, cables y arneses, elementos protectores contra cortos circuitos

71

para los componentes, ventiladores, sensor de temperatura, elementos de

accionamiento o interruptores del sistema, interruptor de presión y un

embrague del compresor.

Figura 49. Diagrama eléctrico banco de pruebas aire acondicionado

automotriz

(Julio Vallejo, 2013)

3.2.12 ELEMENTOS ELÉCTRICOS DEL BANCO DE PRUEBAS

Los elementos básicos seleccionados para el funcionamiento eléctrico de

nuestro banco de pruebas son:

1 Fusible de 20A que se utiliza como elemento de protección para el

sistema completo, ya que lo protegerá contra cortos circuito o

sobrecargas, de esta forma se evita que se quemen directamente los

72

componentes principales del sistema como los ventiladores, y el

embrague eléctrico del compresor.

La selección del fusible se hace mediante una sumatoria de potencias

de los elementos consumidores dentro del circuito que son los

ventiladores y el embrague del compresor, de esta manera se obtiene la

potencia de consumo total del circuito y mediante la fórmula de potencia,

teniendo como dato el voltaje y la potencia total se puede hacer el

cálculo del amperaje de consumo.

[3.2]

Donde:

P = Potencia Total (watts)

I = Intensidad (A)

V = Voltaje (V)

Al no existir fusibles de 16.83A se selecciona un fusible de 20A que es el

más próximo y el que se encuentra disponible en el mercado.

1 Relé que se va a activar con 0.78A, el cual también se utiliza como

elemento de protección ya que soporta altas intensidades y permite el

paso de corriente hacia los elementos de potencia.

1 Termostato o sensor de temperatura el cual cumple la función de

apagar y encender, y también va a enviar la señal para el encendido del

73

embrague del compresor y que cuando se una continúe con su trabajo,

este sensor hace el envío de la señal el momento que el evaporador

está con muy baja temperatura (bajo 0° C) produciendo escarcha en el

mismo, cuando esto sucede corta el paso de corriente hacia el

compresor, procediendo a pararlo y apagarlo.

2 Bornes de la batería uno para el positivo y otro para el negativo, los

cuales cumplen la función de sujeción del cableado ya que estos

proveerán de la energía necesaria hacia el sistema y asegurando que no

se desconecte.

Cables eléctricos, los cuales permitirán el paso de corriente y la unión

entre los componentes del banco de pruebas, de por medio van

conectados a estos cables los elementos eléctricos que forman parte del

sistema eléctrico, que son el fusible, el relé y los switchs. El cable del

motor eléctrico es diferente y más grueso ya que este trabajará con

corriente alterna por lo que recibirá mucha más intensidad de corriente.

3.2.13 SELECCIÓN DE MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL

BANCO DE PRUEBAS

Para la construcción del banco de pruebas se eligieron materiales ligeros, de

buena calidad, de precios razonables y que se acoplen uno con el otro sin

ningún inconveniente, dando una buena resistencia, estética y de fácil

manipulación para los estudiantes que trabajarán en ella.

3.2.13.1 Tubo de la estructura

Para la construcción de la estructura se selecciona tubo de sección cuadrada

estructural de 20mm de lado y 2mm de espesor, ya que este tubo presenta

74

varias ventajas por su forma y peso, son bastante resistentes al pandeo y a

esfuerzos de torsión que se producen en la estructura que contiene los

elementos del banco de pruebas, son de fácil manipulación y permiten la

realización de uniones simples por soldadura.

Figura 50. Tubo de sección cuadrada estructural de acero.

(Julio Vallejo, 2013)

Tabla 12. Especificaciones tubo cuadrado.

Origen: China

Lado: 20mm

Espesor: 2mm

Longitud: 6000mm

Grado de acero: A53

Estándar: ASTM 46

Extremos: Cuadrados

Uso: Construcción (Julio Vallejo, 2013)

75

3.2.13.2 Madera triplex

Como base y soporte de todos los componentes del aire acondicionado

automotriz utilizamos 2 planchas de madera triplex de 20mm de espesor, esta

va a ser suficiente para soportar el peso bien distribuido de los mismos,

permitiendo su fácil corte y perforación para fijar uno a uno los componentes.

Figura 51. Madera triplex 1.

(Julio Vallejo, 2013)

Figura 52. Madera triplex 2.

(Julio Vallejo, 2013)

76

3.2.13.3 Perfiles estructurales y ángulos

Los perfiles metálicos estructurales se utilizan para hacer bases para la fijación

de algunos componentes a la madera del banco de pruebas, y los ángulos se

utilizan en la construcción de bases y marcos para otros componentes que no

pueden fijarse a la madera del banco de pruebas.

Figura 53. Perfiles metálicos

(Julio Vallejo, 2013)

Figura 54. Ángulos

(Julio Vallejo, 2013)

77

3.2.13.4 Pernos, tuercas y arandelas

Para el ensamblaje, acople, y fijación de la estructura y los componentes del

aire acondicionado a la madera se utilizaron pernos de cabeza hexagonal de

R/G 63.5X9.5 con sus respectivas roscas y arandelas planas y de presión.

Figura 55. Pernos y tuercas.

(Julio Vallejo, 2013)

Figura 56. Arandelas.

(Julio Vallejo, 2013)

78

3.3 CONSTRUCCIÓN Y DIMENSIONES

3.3.1 CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA Y BASE

Para comenzar a construir la estructura y base del banco de pruebas de aire

acondicionado automotriz, son basadas en medidas que se ajusten al

laboratorio y taller de la facultad de Ingeniería Automotriz y al acceso de los

estudiantes para sus respectivas prácticas y pruebas en el mismo, facilitando

su manipulación y maniobra del banco de pruebas dentro del taller.

La selección de la forma del banco de pruebas es pensando en la ergonomía

del ser humano y en su factible uso para todos los alumnos de la carrera de

Ingeniería Automotriz.

Con su forma rectangular y en forma de mesa se asegura que los estudiantes

no tengan ningún inconveniente al trabajar junto al banco y con cada uno de

sus componentes al alcance de los mismos.

El peso del banco de pruebas con todos sus componentes ya montados es de

66.4kg los cuales van a ser soportados por la estructura de tubo de sección

cuadrada soldadas de 20mm de lado.

79

Figura 57. Estructura metálica del banco de pruebas, vista en perspectiva.

(Julio Vallejo, 2013)

En la vista lateral de la estructura se aprecia la longitud donde se colocarán los

componentes del banco de pruebas.

Figura 58. Vista lateral de la estructura metálica.

(Julio Vallejo, 2013)

80

Figura 59. Vista frontal de la estructura metálica.

(Julio Vallejo, 2013)

3.3.2 DIMENSIONES Y MEDIDAS DE LA ESTRUCTURA

3.3.2.1 Dimensiones de la estructura

Las dimensiones de la estructura del banco de pruebas están hechas y

diseñadas para la altura promedio del ser humano y con una longitud exacta

donde se distribuye cada uno de los componentes del aire acondicionado.

A continuación se presentan las medidas correspondientes a su planta, vistas

laterales, vista frontal y posterior.

3.3.2.1.1 Planta

En la planta se observa la correcta posición de todos los elementos del Aire

Acondicionado ya que estos cumplen un ciclo de funcionamiento y van en

orden al mismo.

81

Figura 60. Planta y sus dimensiones.

(Julio Vallejo, 2013)

3.3.2.1.2 Vista lateral, izquierda y derecha

En toda su longitud se observa que es bastante amplia y que cada uno de los

componentes estará bien distribuido ocupando suficiente espacio para su

correcto funcionamiento.

Figura 61. Vista lateral izquierda y derecha con dimensiones.

(Julio Vallejo, 2013)

82

3.3.2.1.3 Vista frontal y posterior

Figura 62. Vista frontal y posterior con dimensiones.

(Julio Vallejo, 2013)

3.3.3 CONSTRUCCIÓN Y MONTAJE DEL BANCO DE PRUEBAS

Después de saber las medidas y la forma de la maqueta sus bases y estructura

se procede a montar los componentes del aire acondicionado, con una

ubicación estratégica que cumplan el ciclo de funcionamiento del mismo.

3.3.3.1 Montaje de las bases de madera a la estructura

Se empieza con la fijación de las dos tablas de madera en los dos pisos de la

estructura metálica, su fijación se la realiza con 14 pernos de R/G 63.5X9.5,

Cada perno con su respectiva tuerca van a ser finalmente aseguradas y

ajustadas con las arandelas de presión.

83

Figura 63. Montaje de tablas de madera a la estructura metálica.

(Julio Vallejo, 2013)

Figura 64. Montaje de tablas de madera a la estructura metálica en 3Dmax.

(Julio Vallejo, 2013)

84

3.3.3.2 Montaje del evaporador

Después de tener las tablas fijas a la estructura procedemos a pintar la tabla

con esmalte gris y a colocar uno por uno los componentes del aire

acondicionado, el primer componente que es colocado es el evaporador que se

va a ubicar en un extremo de la tabla superior. Se lo coloca en el extremo ya

que atreves de él se expulsará el aire frío acondicionado que será empujado

por el flujo de aire que provoca el ventilador más pequeño de 114mm de radio.

Para esto se fabricó previamente una caja de madera donde se encuentra el

evaporador que va fijado al ventilador más pequeño, esta caja tiene dos cortes

en sus lados más grandes uno por donde ingresa el aire que el ventilador

empujará atreves de la caja y otro que permitirá que el aire salga hacia el

exterior, en este segundo corte se encuentra la cara frontal del evaporador

donde solo se verán las aletas del mismo.

Esta caja se fijará a la plancha de madera con 14 tornillos de 5X8 y 4 platinas

pequeñas.

Adicional se acopla el sensor del termostato a las aletas del evaporador y el

termostato debajo la tabla superior con dos tornillos de 5x8.

85

Figura 65. Montaje del Evaporador a la tabla superior.

(Julio Vallejo, 2013)

Figura 66. Montaje del Evaporador a la tabla superior en 3Dmax.

(Julio Vallejo, 2013)

86

3.3.3.3 Montaje del condensador

Después se coloca el radiador más grande llamado condensador, este va

ubicado en el extremo opuesto al evaporador en la tabla superior. Previo al

montaje del condensador a la mesa se construyó y se suelda un marco o perfil

en L que se fijará al mismo con remaches, y posteriormente se monta el

condensador a la mesa con 4 pernos de R/G 63.5X9.5, con sus

correspondientes tuercas y arandelas.

Cabe destacar que un segundo ventilador de 160mm de radio está asegurado

al condensador mediante 2 abrazaderas.

El condensador se ubicará en el extremo opuesto al evaporador ya que este

también tiene la función de expulsar el aire caliente empujado por el ventilador

hacia afuera del banco de pruebas, y con este trabajo disipará el calor y

condensara el refrigerante dentro de él.

Figura 67. Montaje del condensador a la tabla superior.

(Julio Vallejo, 2013)

87

Figura 68. Montaje del Condensador a la tabla superior en 3Dmax.

(Julio Vallejo, 2013)

3.3.3.4 Montaje del motor eléctrico

Después se ubica el motor eléctrico que es el elemento que va a mover y

generar energía mecánica y lo transmitirá al compresor para el funcionamiento

del banco de pruebas de aire acondicionado. Como referencia de la ubicación

del motor eléctrico está en la tabla inferior a 280mm de distancia del

condensador que se encuentra en la parte superior, esta ubicación es

estratégica ya que sobre él estará montado el compresor que se los alineará

uno con el otro, esto lo explicaremos en el montaje del compresor. El motor

eléctrico está asentado en la madera con 4 pernos de R/G 63.5X9.5 con sus

tuercas y rodelas.

88

Figura 69. Montaje del motor eléctrico a la tabla inferior.

(Julio Vallejo, 2013

Figura 70. Montaje del motor eléctrico a la tabla inferior en 3 D max.

(Julio Vallejo, 2013)

89

3.3.3.5 Montaje del filtro secador

A continuación se procede a ubicar el elemento filtro secador. Para su montaje

es soldada una base hecha de perfiles en forma de L la cual ayudará a la

fijación del mismo a la mesa mediante 4 pernos de R/G 63.5X9.5 con sus

tuercas y rodelas.

La ubicación del filtro secador se la hace entre el evaporador y el condensador

ya que este va a servir como intermediario para las conexiones de las cañerías

siguiendo en orden el ciclo de funcionamiento de un aire acondicionado.

Figura 71. Montaje del filtro secador a la tabla superior.

(Julio Vallejo, 2013)

90

Figura 72. Montaje del filtro secador a la tabla superior en 3D max.

(Julio Vallejo, 2013)

3.3.3.6 Montaje del compresor

Después de tener la mayoría de los elementos montados del banco de pruebas

se continúa con el montaje del compresor que es el componente más

importante del sistema de aire acondicionado.

La ubicación del compresor es en la tabla superior a 280mm de distancia del

condensador o del filo de la tabla. Para la transmisión del movimiento mecánico

producido por el motor eléctrico al compresor se usa una banda que unirá dos

componentes haciendo funcionar el sistema, previo a esto se hace una

perforación en la tabla superior que permitirá la conexión de las poleas del

compresor y del motor eléctrico por medio de la banda.

Para el montaje del compresor en la tabla sujetamos un perfil metálico de

90X150mm a la mesa con 4 pernos de R/G 63.5X9.5 con sus tuercas y rodelas,

91

el perfil va unida al compresor con dos pernos de R/G 63.5X9.5 con sus

tuercas y rodelas permitiendo así el movimiento del compresor para alinear su

polea con la del motor eléctrico y así poder templar la banda.

Para colocar una banda que una y transmita la energía mecánica generada por

el motor eléctrico, se toma en cuenta la forma de la polea y las distancias entre

ejes, en este caso los canales de las poleas tanto del motor eléctrico como del

compresor son en “Poli V”, por ende se selecciona una polea poli “V”

trapezoidal semejante a la usada en vehículos 1170PK5 (1170mm: longitud,

PK: perfil, 5: número de canales), con esto se procede a asegurar la sujeción y

su temple el momento de montar la banda.

Figura 73. Montaje del compresor a la tabla superior, alineación y tensión

de la banda.

(Julio Vallejo, 2013)

92

Figura 74. Montaje del compresor a la tabla superior en 3D max.

(Julio Vallejo, 2013)

3.3.3.7 Montaje de la batería

Después de montar todos los componentes mecánicos se continúa con el

montaje de la fuente de energía eléctrica que en nuestro caso es una batería

que nos proveerá de 12V con una capacidad de reserva de 73 min.

La ubicación de la batería se la realiza en la tabla inferior centrada en un

extremo debajo del evaporador y su montaje a la tabla se la hace con dos

pernos de R/G 63.5X9.5 en cada lado.

La batería tiene dos cables conectados a dos bornes positivo y negativo, el

cable negativo de color negro va a su vez conectado a la estructura metálica

del banco de pruebas haciendo masa, y el cable positivo de color rojo es el que

va a distribuir de energía a todos los componentes eléctricos del banco de

pruebas. Para asegurar una conexión y desconexión de todos los componentes

93

eléctricos que la batería distribuirá de energía se ubica un switch de ON y OFF

en la tabla superior a un lado del evaporador, el montaje de este switch es

realizado haciendo una perforación en la tabla que asegura su sujeción.

Figura 75. Montaje de la batería a la tabla inferior.

(Julio Vallejo, 2013)

Figura 76. Montaje de la batería a la tabla inferior en 3D max.

(Julio Vallejo, 2013)

94

3.3.3.8 Montaje y acople de cañerías

Por último se procede a montar y acoplar las cañerías de alta y baja presión,

acoples de aluminio y o’rings en puntas que unirán al compresor, filtro secador

con el evaporador y condensador.

Figura 77. Montaje y acople de cañerías vista 1.

(Julio Vallejo, 2013)

Figura 78. Montaje y acople de cañerías vista 2

(Julio Vallejo, 2013)

95

Figura 79. Montaje y acople de cañerías vista 1 en 3D max.

(Julio Vallejo, 2013)

Figura 80. Montaje y acople de cañerías vista 2 en 3D max.

(Julio Vallejo, 2013)

96

3.3.3.9 Distribución del cableado y componentes eléctricos

La distribución del cableado y sus componentes se realizan tratando de ser

semejante al existente en un vehículo con la diferencia de que en el banco de

pruebas es construida sobre dos tablas de madera con soportes de metal para

mayor facilidad y acceso del estudiante a la misma. Sus componentes están

sobre la tabla superior y el cableado está ubicado por debajo de ella teniendo

en cuenta que cada cable este bien distribuido y pegado sujetado a la tabla sin

que exista ningún roce que pueda provocar un corto circuito o daño por uso de

la maqueta.

Figura 81. Distribución del cableado por debajo del banco de pruebas

(Julio Vallejo, 2013)

La fuente de energía eléctrica para la mayor parte de los componentes es una

batería que reparte sus 12V a los elementos eléctricos del banco de pruebas.

El termostato se va a activar dependiendo la señal de su resistencia al

embrague del compresor, adicional existe un switch de presión que se

colocará en OFF únicamente si no hay presión en el sistema. Todos estos

97

componentes eléctricos son activados y desactivados mediante un switch de

ON y OFF con luz testigo que se encuentra en la parte superior del banco de

pruebas.

Figura 82. Conexiones eléctricas.

(Julio Vallejo, 2013)

3.3.3.10 Ubicación relé y fusible

El banco de pruebas comprende de un fusible con su respectiva fusiblera, y de

un solo relé los cuales todos los componentes eléctricos recibirán el paso de

corriente mediante la activación de este relé.

La ubicación es en el inicio de la tabla superior debajo del evaporador.

Nota: Selección de fusible pag. 72

98

Figura 83. Ubicación del relé y fusible

(Julio Vallejo, 2013)

3.3.3.11 Conexión batería

La Batería es la fuente de energía para el banco de pruebas y proporciona

energía eléctrica a los componentes eléctricos, tiene dos bornes que

asegurarán la sujeción del cableado y funcionamiento del sistema eléctrico.

Una batería posee dos polos, positivo y negativo, para diferenciarse el polo

negativo tiene cable color negro y hace masa en la estructura metálica,

mientras el positivo es cable color rojo; cabe recalcar que todos los

componentes eléctricos hacen masa o tierra en la estructura metálica del banco

de pruebas.

Relé

Fusiblera

99

Figura 84. Conexión de la batería y su masa.

(Julio Vallejo, 2013)

3.3.3.12 Conexión termostato, compresor, ventiladores y switch de

presión

El termostato, el compresor, el switch de presión y los ventiladores tienen su

cableado proveniente de la parte superior del banco de pruebas, los mismos

que llegaran a la parte inferior de la tabla bien distribuidos, aislados evitando

cualquier tipo de corto circuito, bien pegados a la tabla y haciendo masa o tierra

en la parte más cercana de la estructura metálica del banco de pruebas.

Nota: Para más referencias revisar diagrama eléctrico pág. 70 figura. 49

100

Figura 85. Conexión Ventiladores del Evaporador, Condensador, switch

de presión y compresor.

(Julio Vallejo, 2013)

3.3.3.13 Conexión motor eléctrico

Por último y muy importante está el motor eléctrico que es el único componente

eléctrico que es totalmente independiente de todo banco de pruebas de aire

acondicionado, este es el que va a proveer de movimiento y trasformará la

energía eléctrica en energía mecánica mediante un bobinado interno con

campos electromagnéticos, esta energía mecánica será transmitida al

compresor por medio de una banda dentada para que este cumpla su función y

el todo el sistema trabaje de forma completa y normal, y completando así el

ciclo de trabajo.

Este motor eléctrico trabaja con corriente alterna conectado a una fuente

exterior de 220V de tensión y tomará lugar en la base inferior del banco de

pruebas de climatización automotriz.

Cable ventilador

evaporador

Cable switch

de presión

Cable compresor

Cable ventilador

condensador

101

Figura 86. Motor eléctrico conectado a 220V externos.

(Julio Vallejo, 2013)

102

CAPITULO 4

IMPLANTACIÓN Y MANTENIMIENTO DEL BANCO DE

PRUEBAS DE AIRE ACONDICIONADO

AUTOMOTRIZ

4.1 GUÍAS DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO PARA EL BANCO DE

PRUEBAS DE CLIMATIZACION AUTOMOTRIZ.

4.1.1 PRACTICA No. 1

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

LABORATORIO DE CLIMATIZACIÓN AUTOMOTRIZ

Práctica Nº: 1

Tema: Verificación de funcionamiento

Resumen:

103

Objetivos:

- Verificar el estado y conexiones del cableado, presión en cañerías,

banda, flujo de aire ventiladores, posición del termostato, encendido

compresor.

- Cumplir con todas las condiciones de funcionamiento antes de encender

el banco de pruebas.

- Conocer los componentes que necesitan verificación antes de su

funcionamiento.

Equipo y materiales:

- Banco de pruebas

- Manómetros

- Termómetro

Procedimiento:

1.- Verificación cableado:

Para un óptimo funcionamiento del banco de pruebas se necesita hacer

pruebas visuales de su correcta instalación y verificar su funcionamiento.

En cuanto a la parte eléctrica se verifica que las instalaciones del cableado

estén correctas, que no existan cables pelados o que estén rozando y haciendo

interferencia con otro componente en movimiento, que los bornes de la batería

estén bien conectados a sus polaridades cable negro con borne negativo y

cable rojo con borne positivo.

104

Figura 87. Verificación cableado.

(Julio Vallejo, 2013)

2.- Verificación instalación y presión cañerías:

El siguiente paso es el chequeo visual de una buena conexión de las cañerías

de alta y de baja presión, estas tienen que estar bien acopladas a los acoples

de aluminio y a los diferentes componentes banco de pruebas, totalmente sin

contacto con los elementos en movimiento, esto se lo hace ya que estas vana a

transportar el refrigerante y podrían colapsar si llegan a tocar algún

componente en movimiento, luego de esto se prosigue a la siguiente

verificación que es medir la presión del sistema en los chupones de las

mangueras de alta y baja presión, con esto se comprueba que no existan fugas

ni baja presión en el sistema ya que esto causara un mal funcionamiento y va a

existir un enfriamiento deficiente.

Positivo Negativo

Cableado bien conectado y sin

interferencias

105

Figura 88. Verificación de presión e instalación de cañerías.

(Julio Vallejo, 2013)

3.- Verificación banda:

Después como parte de verificación del funcionamiento y comprobación es

revisar que la banda que conecta las poleas del compresor y el motor eléctrico

esté bien alineada y templada, ya que si esto falla el compresor o sea el

corazón del sistema dejará de funcionar y por ende todo el banco de pruebas.

106

Figura 89. Verificación del temple y alineación de la banda.

(Julio Vallejo, 2013)

4.- Verificación flujo de aire de los ventiladores:

Verificar el correcto flujo de aire hacia afuera del banco de pruebas por parte de

los ventiladores tanto como del ventilador del condensador y el ventilador del

evaporador, también se verifica la correcta conexión e instalación de los

mismos, la forma correcta y directa para verificar su funcionamiento es

poniendo en marcha o en ON los ventiladores.

Banda templada y alineada

107

Figura 90. Verificación del flujo de aire en ventiladores.

(Julio Vallejo, 2013)

5.- Verificación posición del termostato y encendido compresor:

Verificar el rango de encendido del compresor, esto se lo hace primero

ubicando el mando de sensibilidad del termostato a 5º en sentido de las

manecillas del reloj y tomando el tiempo con un cronómetro.

Se enciende el banco de pruebas y se comprueba que funciona en un rango de

40s de encendido el compresor y su embrague y 40s desacoplado el

embrague, llegando a una temperatura mínima de 0ºc.

Se regula y se recomienda que el mando de sensibilidad del termostato, el cual

es el que controla el rango de encendido del compresor, no se aumente o

disminuya ya que este trabaja como potenciómetro con su resistencia el cual a

mayor resistencia mayor es el tiempo de encendido, por lo tanto no es

necesario sobre esforzar el sistema aumentando su tiempo de trabajo.

Flujo aire

caliente

Flujo aire

frio

108

Conclusiones:

- Se verificó que todos los componentes estén bien sujetos, ajustados y

funcionando.

- Se cumplió con todas las condiciones de funcionamiento de los

componentes antes de encender el sistema de aire acondicionado.

- Se reconoció los componentes principales que necesitan una

verificación antes de encender el banco de pruebas por completo.

Recomendaciones:

- Hacer estas verificaciones de funcionamiento siempre antes de

encender el equipo.

- Utilizar material adecuado y equipo de protección para cada caso

mandil, gafas protectoras y zapatos puntas de acero.

- Realizar el proceso siempre con la supervisión de un guía o profesor.

109

4.1.2 PRACTICA No. 2

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

LABORATORIO DE CLIMATIZACIÓN AUTOMOTRIZ

Práctica Nº: 2

Tema: Reconocimiento de partes y función del banco de pruebas de

climatización.

Resumen:

Objetivos:

- Aprender a reconocer e identificar cada uno de los componentes de un

aire acondicionado.

- Saber la ubicación y función de los componentes.

Equipo y materiales:

- Banco de pruebas

110

Procedimiento:

Figura 91. Reconocimiento de partes.

(Julio Vallejo, 2013)

A. Condensador: Condensa el gas refrigerante y lo transforma en líquido.

B. Compresor: Se encarga de comprimir el fluido refrigerante.

C. Filtro secador: Filtra las impurezas y absorbe la humedad.

D. Válvula de expansión: Regula y expande el refrigerante que entra al

evaporador.

A

D

E

C

B

F G

111

E. Evaporador: Recibe el gas enfriado y enfría en aire caliente que pasa a

través de sus aletas.

F. Motor eléctrico: Da movimiento mediante una polea al compresor.

G. Batería: Es la fuente de energía eléctrica del sistema.

Conclusiones:

- Se aprendió a reconocer e identificar los componentes del banco de

pruebas de aire acondicionado.

- Se conoció la función y posición de cada componte de un aire

acondicionado.

Recomendaciones:

- Consultar la diferencia entre los dos tipos de radiadores que hay en el

sistema de aire acondicionado automotriz.

- Utilizar el equipo adecuado de seguridad mandil, gafas protectoras y

zapatos puntas de acero.

112

4.1.3 PRACTICA No. 3

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

LABORATORIO DE CLIMATIZACIÓN AUTOMOTRIZ

Práctica Nº: 3

Tema: Puesta a punto del banco de pruebas.

Resumen:

Objetivos:

- Aprender el proceso de puesta a punto un banco de pruebas de aire

acondicionado.

- Aprender a utilizar los instrumentos y equipos de medición utilizados en

un banco de pruebas de aire acondicionado.

- Reconocer fallas y problemas en el banco de pruebas.

Equipo y materiales:

- Banco de pruebas

- Bomba de vacío

- Tanque de refrigerante r134a

- Manómetros

- Termómetro

- Multímetro

113

Procedimiento:

1.- Vaciado del sistema de aire acondicionado:

El vaciado es muy importante antes de cargar con gas refrigerante al banco de

pruebas ya que con este proceso se elimina impurezas, vapor de agua y aire

dentro del mismo, también ayuda desde un inicio en la verificación de posibles

fugas o fisuras en cañerías. El instrumento que se usará para este vaciado es

una bomba de vacío.

1. Conectar las mangueras amarilla del manómetro a la bomba de vacío, la

manguera de color azul al chupón de baja presión y la manguera de

color rojo al chupón de alta presión.

2. Poner en marcha la bomba de vacío.

3. Transcurrido 5min la medida en el manómetro de baja presión debe

bajar de 0psi y en el transcurso de 20min puede llegar hasta -20psi. en

el manómetro de alta presión debería mantenerse un poco más debajo

de la marca de 0psi hasta -5psi.

4. En caso de que la presión en los manómetros comience a aumentar

quiere decir que existe algún tipo de fuga en el banco de pruebas, y se

procederá a hacer la respectiva reparación dependiendo de la falla.

5. Al cabo de 30min y al verificar que las presiones del vaciado no han

aumentado se puede apagar la bomba de vacío y desconectar las

mangueras del manómetro del banco de pruebas.

114

Figura 92. Red de conexiones para vacío del banco de pruebas.

(Julio Vallejo, 2013)

2.- Carga de refrigerante en el banco de pruebas:

Inmediatamente después del vaciado se procede a cargar primero con aceite el

cual irá un 7onz en el compresor y 2onz más que se distribuirá en los demás

componentes del banco de pruebas y por último con gas refrigerante 134a.

NOTA: El proceso de carga se puede hacer tanto por el chupón de baja como

por el de alta presión, en este procedimiento se describe la carga del banco de

pruebas de A/A por el chupón de baja, ya que para cargar por el chupón de alta

se necesita un equipo de carga.

1. Acoplar la manguera azul del manómetro al chupón de baja presión con

su válvula abierta y la amarilla al tanque con gas refrigerante 134a.

115

2. Cerrar la válvula de alta presión y abrir la válvula del tanque con el

refrigerante y cargar primero 8onz de refrigerante, en este instante se

podrá medir con un mínimo de presión de 60psi en el banco de pruebas

con el manómetro de baja.

3. Encienda el banco de pruebas para completar el refrigerante faltante, se

adiciona 16onz más y con esto nos dará una medida máxima de 90psi

en el manómetro de alta.

4. Una vez encendido el banco de pruebas la compresión interna del

refrigerante tendrá un rango que puede oscilar entre 150-200psi en el

manómetro de alta presión.

5. Después de finalizar la recarga se podrá retirar y desconectar las

mangueras del manómetro o en su caso se puede dejar en reposo por

unos 15min para verificar variaciones en la presión el cual será también

un indicador de algún tipo de fuga en el banco de pruebas de A/A.

Figura 93. Carga de refrigerante.

(Julio Vallejo, 2013)

116

3.- Puesta en marcha del motor eléctrico:

En este proceso se pone en marcha el motor eléctrico que convertirá la energía

eléctrica en energía mecánica, el cual mediante una banda unida de la polea

del motor eléctrico a la polea del compresor va a producir la compresión dentro

del compresor del banco de pruebas.

1. Primero asegurarse que las poleas estén bien ajustadas, la banda bien

templada y alineada.

2. Segundo conectar el motor eléctrico a la corriente alterna de 220V con

mucha precaución y seguridad de que está bien asegurada la conexión.

3. Verificar que el motor eléctrico y el compresor estén en marcha.

Figura 94. Puesta en marcha motor eléctrico.

(Julio Vallejo, 2013)

117

4.- Puesta en marcha del sistema eléctrico:

En este punto se describe la puesta en marcha de la parte eléctrica del banco

de pruebas y la que dará vida y funcionamiento al aire acondicionado, mediante

el encendido del sistema eléctrico se ponen en funcionamiento ventiladores,

termostato, embrague del compresor y switch de presión.

1. Verificar que la batería tenga voltaje con un multímetro, la medida debe

ser 12V y que los bornes estén asegurados correctamente.

2. Con el switch o botón principal de encendido del banco de pruebas que

está en la parte posterior de un lado del evaporador se pone en marcha

el resto de componentes eléctricos como son los ventiladores,

termostato, embrague del compresor, y el switch de presión.

3. Se puede verificar su funcionamiento el momento que los ventiladores

empiecen a moverse y el flujo de aire atraviese las aletas de los dos

radiadores, la otra verificación del funcionamiento del sistema se la

puede apreciar el momento que el sistema comience a acondicionar el

aire que fluye por el evaporador el cual será aire frío.

Con esto se tiene prueba física que el sistema está funcionando

correctamente y está cumpliendo su ciclo.

Conclusiones:

- Se siguió paso a paso el proceso de puesta a punto del banco de

pruebas de aire acondicionado.

- Se aprendió a utilizar los instrumentos de medición y carga para un

banco de pruebas de aire acondicionado.

- Se verificó y reconoció los tipos de fallas comunes el momento de poner

a punto el banco de pruebas de aire acondicionado.

118

Recomendaciones:

- Cumplir con los pasos antes descritos para la puesta a punto.

- Utilizar material adecuado y equipo de protección para cada caso

mandil, gafas protectoras y zapatos puntas de acero.

- Realizar el proceso siempre con la supervisión de un guía o profesor.

119

4.1.4 PRACTICA No. 4

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

LABORATORIO DE CLIMATIZACIÓN AUTOMOTRIZ

Práctica Nº: 4

Tema: Humedad relativa del Aire.

Resumen:

Objetivos:

- Conocer la humedad relativa del aire ambiente mediante la carta

psicométrica.

- Aprender a utilizar los instrumentos de medición para un banco de

pruebas de aire acondicionado automotriz.

- Medir las temperaturas con bulbo seco y húmedo

Equipo y materiales:

- Banco de pruebas

- Termómetro

- Manómetros

120

- Multímetro

- Agua y gasa o algodón

Procedimiento:

1.- Humedad relativa del aire:

Mediante esta prueba de rendimiento se conocerá la humedad relativa

(porcentaje de humedad o vapor de agua presente en el aire).

1. Poner en marcha el motor eléctrico.

2. Encender el switch del sistema de aire acondicionado.

3. Hacer esta prueba en un lugar cerrado donde no llegue el sol o viento.

4. Colocar el termómetro de bulbo seco (termómetro normal) en la de aire

del evaporador.

5. Después, hacer la misma prueba con el termómetro pero esta vez con el

termómetro recubierto con un algodón o gasa empapada de agua, a esta

prueba se la llama de bulbo húmedo.

6. Ya estabilizado el banco de pruebas compruebe que la lectura del

manómetro de alta presión esté entre 150-200PSI. Si la lectura es

demasiado alta, echar agua en el condensador. Si la lectura es

demasiado baja, cubrir la parte delantera del condensador.

7. Calcular la Humedad relativa a partir de la tabla psicométrica,

comparando las lecturas del bulbo húmedo y seco. Esta medida será

dada por la tabla psicométrica en porcentaje.

121

Medidas del banco de pruebas de climatización automotriz:

Temperatura bulbo seco admisión: 13ºC

Temperatura bulbo húmedo en admisión: 6ºC

Figura 95. Humedad relativa del aire en el diagrama psicométrico.

(Julio Vallejo, 2013)

Mediante esta prueba representada en la Figura 95, se determina que el

rendimiento de enfriamiento es satisfactorio, y con la tabla psicométrica

también se pudo encontrar el nivel de humedad relativa en el aire, el cual es el

40% de vapor de agua que se encuentra en el ambiente.

Conclusiones:

- Se aprendió a utilizar la carta psicométrica para medir el nivel de

humedad del aire que entra por la admisión del evaporador.

6º

13°

122

- Se aprendió a utilizar los instrumentos de medición para un banco de

pruebas de aire acondicionado.

- Se verificó y midió las temperaturas con bulbo seco y húmedo.

Recomendaciones:

- Cumplir con los pasos antes descritos medir las temperaturas.

- Hacer las mediciones en un lugar cerrado sin corrientes de aire

externas.

- Utilizar material adecuado y equipo de protección para cada caso

mandil, gafas protectoras y zapatos puntas de acero.

- Realizar el proceso siempre con la supervisión de un guía o profesor.

123

4.1.5 PRACTICA No. 5

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

LABORATORIO DE CLIMATIZACIÓN AUTOMOTRIZ

Práctica Nº: 5

Tema: Diagrama Presión vs Entalpía (Molliere) de un ciclo teórico de aire

acondicionado automotriz.

Resumen:

Objetivos:

- Medir presiones en los componentes del banco de pruebas y dibujar el

ciclo teórico del refrigerante 134a en la gráfica Presión vs Entalpía.

- Encontrar mediante fórmulas a) Efecto refrigerante Qe=?, b) Calor

concedido en el condensador Qc =?, c) Energía ganada en el compresor

Qcomp =?, d) Equilibrio Térmico =?, c) Perdida de efecto refrigerante =?,

d) Coeficiente de rendimiento COP =?

Equipo y materiales:

- Banco de pruebas

- Manómetros

124

Procedimiento:

Mediante este laboratorio vamos a poder conocer la eficiencia y cantidad de

calor absorbida por el habitáculo, al igual que las cantidades de calor ganadas

en el evaporador, condensador y compresor, también se puede medir la

pérdida de efecto refrigerante y coeficiente de rendimiento.

1. Poner en marcha el motor eléctrico a 3525RPM.

2. Encender el switch del banco de aire acondicionado.

3. Hacer esta prueba en un lugar cerrado donde no llegue el sol o viento.

4. Medir presiones máximas de alta y baja con los manómetros por sus

respectivos chupones.

5. Ya recopilados los datos llevarlos a la gráfica de Presión vs Entalpía.

125

Figura 96. Temperaturas del sistema, encendido.

(Julio Vallejo, 2013)

Figura 97. Diagrama Presión vs Entalpía (Molliere)

(Julio Vallejo, 2013)

126

a) Efecto refrigerante:

– [4.1]

b) Calor concedido en el condensador:

– [4.2]

c) Energía ganada en el compresor:

– [4.3]

d) Equilibrio Térmico:

[4.4]

c) Perdida de efecto refrigerante:

– [4.5]

127

e) Coeficiente de rendimiento:

[4.6]

Nota: El cálculo del coeficiente de rendimiento se hizo considerando una

gráfica de presión vs entalpía para un ciclo teórico, el efecto refrigerante frente

a energía ganada por el compresor. Por ende se mide lo que sale por lo que

entra.

Conclusiones:

- Se dibujó el ciclo del refrigerante teórico de presión vs entalpía según

sus presiones en el banco de pruebas.

- Se encontró mediante fórmulas el efecto refrigerante, calor concedido en

el condensador, energía ganada en el compresor, equilibrio térmico, la

pérdida del efecto refrigerante y el COP (coeficiente de rendimiento).

Recomendaciones:

- Cumplir con los pasos antes descritos medir las temperaturas.

- Hacer las mediciones en un lugar cerrado sin corrientes de aire

externas.

- Utilizar material adecuado y equipo de protección para cada caso.

- Realizar el proceso siempre con la supervisión de un guía o profesor.

128

4.2 MANTENIMIENTO Y CONTROL DE FALLAS

4.2.1 INTRODUCCIÓN El objetivo del mantenimiento al banco de pruebas es tenerlo en óptimas

condiciones para un perfecto funcionamiento y aumentar la vida útil del mismo.

Es por esto que se recomienda que el banco de pruebas que pertenecerá a la

Universidad Tecnológica Equinoccial se haga un mantenimiento preventivo

periódico con las debidas protecciones, usando gafas y mandil.

4.2.2 MANTENIMIENTO

Tabla 13. Tabla de Mantenimiento para el banco de pruebas de

climatización automotriz.

DESCRIPCCION MANTENIMIENTO FRECUENCIA

A M S

1. Verificar que todos los componentes del

banco de pruebas estén en condiciones de

funcionamiento.

X

2. Limpieza del evaporador y condensador con

un poco de agua y con un soplete que quite

el polvo que existe acumulado entre las

aletas.

X

3. Comprobar el ajuste y estado de la banda

que une las poleas del motor eléctrico con

el compresor y cambiar cuando sea

necesario.

X

4. Poner en marcha el sistema de aire

acondicionado de 5 a 10 min.

X

5. Agregar aceite al compresor. X

6. Cambio de filtro secador. X

129

7. Limpiar hélices o paletas de los ventiladores

tanto del ventilador del evaporador como

del compresor.

X

8. Hacer un vacío en el sistema que dure por

lo menos 30min, y mediante esto

verificaremos la existencia de fugas.

X

9. Engrasar ejes compresor y motor eléctrico. X

10. Limpieza de partes metálicas con trapo

húmedo o seco.

X

11. Verificar que todas las conexiones estén

bien hechas, limpiar y reasegurar los

componentes eléctricos como, relé, fusible,

conectores, cables, termostato.

X

12. Verificar que no existan sonidos o

vibraciones en el sistema.

X

13. Si hay indicios de fuga de gas, deberá de

comprobarse el origen: falta de refrigerante,

falla del compresor, válvula de expansión o

paso trabados y/o filtro secador saturado.

X

14. Verificar temperaturas táctilmente de las

cañerías de alta y de baja presión, así

comprobaremos con este método su

funcionamiento (en la cañería de salida del

condensador debe tener una temperatura

que soporte el dedo de la mano, y en la

cañería de baja presión a la entrada del

evaporador se debe sentir con el dedo de la

mano que la temperatura es fría).

X

15. Verificar la temperatura de salida de aire del

evaporador que debe oscilar entre 10° y

15°C.

X

130

16. Verificar la temperatura en la cañería de

alta una vez encendido el sistema, el cual

debe oscilar entre 110° y 130°C.

X

17. Encendido el banco de pruebas comprobar

que salga aire frío por el evaporador.

X

18. Verificar las medidas de presión una vez

encendido el banco de pruebas. Oscila

entre 150 y 200psi por el chupón de alta

presión y con el sistema apagado tendrá

una presión entre 50 y 90psi.

X

19. Finalmente en caso de ser necesario cargar

con su respectivo refrigerante el cual debe

ser r-134a. Un sistema que le hace falta

10% de refrigerante, costará 20% más en

su operación.

X

1. ANUAL M. MENSUAL S. SEMESTRAL

(Julio Vallejo, 2013)

4.2.3 CONTROL DE FALLAS EN EL BANCO DE PRUEBAS DE AIRE

ACONDICIONADO AUTOMOTRIZ

4.2.3.1 Fallas con manómetros

4.2.3.1.1 Presencia de humedad en el sistema

Condición:

Periódicamente enfría o a veces enfría con deficiencia.

131

Anormalidad:

Enfriamiento intermitente.

Perdida de presión cuando la temperatura externa sube.

Presión de baja se altera cuando se aplica un paño mojado con agua

caliente sobre la válvula de expansión.

Causa:

Presencia de humedad en el sistema, congelando el orificio de la válvula

de expansión, interrumpiendo temporalmente el ciclo y volviendo a

funcionar después de derretido el hielo.

Diagnóstico:

Verificar si existe diferencia de temperatura entre la entrada y salida del

filtro secador.

Saturación del secante del filtro secador, debido a:

Vacío insuficiente.

Vaciamiento por alguna conexión.

Componente internamente contaminado por agua.

Sistema abierto por mucho tiempo contaminando, o aceite con

humedad.

Solución:

Cambiar el filtro secador.

Remover la humedad del sistema, a través de una evacuación adecuada

Cargar el banco con nuevo refrigerante. (Negri, 1999) (Dwiggins, 1990)

132

4.2.3.1.2 Falta de flujo refrigerante

Condición:

Aire acondicionado no enfría o tiene baja eficiencia

Anormalidad:

Poca o nada de refrigeración.

Baja presión en el lado de alta y baja presión.

Posibilidad de causar sobre temperatura en el interior del compresor.

Causa:

Escape de gas por algún lugar del banco de pruebas.

Diagnóstico:

Falta de refrigerante en el sistema.

Escape de refrigerante.

Solución:

De no haber más gas en el circuito, cargue un poco el mismo.

Chequear el escape con un detector de fugas y efectuar la reparación o

sustitución del componente que presenta la fuga.

Luego de la reparación realizar la evacuación del banco de pruebas,

completando con la cantidad de aceite correspondiente al elemento

cambiado del banco de pruebas.

Cargar el banco de pruebas con el volumen adecuado de refrigerante de

acuerdo al modelo de vehículo. (Negri, 1999) (Dwiggins, 1990)

133

Nota: En caso de no haber encontrado perdida, es probable que la carga

aplicada en el sistema haya sido insuficiente. En este caso complete la carga

de gas.

4.2.3.1.3 Poca circulación de líquido refrigerante (Obstruido por suciedad

en el filtro secador)

Condición:

Banco de pruebas de A/A no enfría o tiene baja eficiencia.

Anormalidad:

Enfriamiento deficiente.

Presión baja en las líneas de carga y descarga, pudiendo la carga

indicar vacío.

Adherencia de hielo o gotas de agua en las cañería próxima a la válvula

de expansión del filtro secador.

Posibilidad de causar sobre temperatura en el interior del compresor.

Causa:

Flujo de refrigerante obstruido por suciedad o saturación en el filtro

secador, algún tubo o manguera obstruida o taponamiento de la válvula

de expansión.

Diagnóstico:

Filtro secador saturado o tapada.

Tubo / manguera obstruida.

Válvula de expansión obstruida.

134

Verificar si existe diferencia de temperatura entre la entrada y salida del

filtro secador.

Solución:

Verificar si la causa es humedad o suciedad, dejando el banco de

pruebas apagado algunos minutos y conectando nuevamente.

Si fuera humedad, substituya el filtro secador y verifique el estado de la

válvula.

Si el defecto persiste el problema es en la válvula, substituya la válvula

fallada, realice las evacuaciones del banco y cargar con volumen

adecuado de refrigerante. (Negri, 1999) (Dwiggins, 1990)

4.2.3.1.4 Ausencia de circulación de fluido refrigerante, poca circulación

de líquido refrigerante (Banco de pruebas no refrigera)

Condición:

Banco de pruebas de A/A no refrigera lo suficiente.

Anormalidad:

Enfriamiento deficiente.

Presión baja en las líneas de carga y descarga, pudiendo la carga

indicar vacío.

Adherencia de hielo o gotas de agua en las cañerías próximas a la

válvula de expansión del filtro secador.

Posibilidad de causar sobre carga en el interior del compresor.

135

Diagnóstico:

Filtro secador saturado o tapado.

Tubo/manguera obstruido.

Verificar se existe diferencia de temperatura entre la entrada y salida del

filtro secador.

Solución:

Verificar si la causa es la humedad o suciedad, dejando el aire

acondicionado apagado algunos minutos y conectando nuevamente.

Si fuera humedad, substituya el filtro secador y verifique el estado de la

válvula.

Si el defecto persiste el problema es en válvula, substituya la válvula y

cargue el sistema con volumen adecuado de refrigerante. (Negri, 1999)

(Dwiggins, 1990)

4.2.3.1.5 Exceso de fluido refrigerante o deficiencia de cambio de calor

del condensador

Condición:

Banco de pruebas de A/A no refrigera lo suficiente.

Anormalidad:

Embrague magnético con cubo / rotor desgastado por holgura o

sobretemperatura del embrague magnético.

No enfría lo suficiente.

Presión muy alta tanto en lado de carga y en lado de descarga.

136

Burbuja de aire desaparecen del visor en cuanto la rotación del motor es

baja.

Lado de la carga está caliente.

Causa:

Exceso de refrigerante en el sistema del banco de pruebas durante la

carga o a través de recarga indebida.

Cambio de calor insuficiente en el condensador.

Diagnóstico:

Exceso de refrigerante en el banco de pruebas.

Condensador con aletas obstruidas por suciedad o electro ventilador del

condensador inoperante.

Solución:

Limpiar el condensador.

Chequear el funcionamiento del electro ventilador.

Se ambos estuvieran normales, chequear la cantidad de refrigerante

dejando escapar un poco de refrigerante hasta normalizar las presiones.

(Negri, 1999) (Dwiggins, 1990)

4.2.3.1.6 Presencia de aire en el sistema (Tubos de baja presión sin

calentamiento)

Condición:

Banco de pruebas de A/A no refrigera lo suficiente.

137

Anormalidad:

Presiones de alta y baja demasiado alta

No refrigera lo suficiente.

Burbujas de aire ocasionales en el banco de pruebas.

Carga y descarga con alta presión.

Temperatura elevada en la cañería de baja presión.

Causa:

Infiltración de aire en el banco de pruebas.

Diagnóstico:

Evacuación insuficiente.

Proceso de evacuación inadecuado

Solución:

Chequear el volumen de aceite del compresor, observando la existencia

de contaminación (Suciedad). Completar el volumen si es necesario.

Sustituir el filtro secador.

Efectuar la evacuación adecuadamente y cargar el sistema con el nuevo

refrigerante. (Negri, 1999) (Dwiggins, 1990)

Nota: Esta falla ocurre cuando el banco de pruebas de aire acondicionado fue

abierto para mantenimiento y el refrigerante fue cargado sin hacer la

evacuación adecuada. El sistema de vacío y carga de gas puede estar con

problema.

138

4.2.3.1.7 Válvula de expansión con funcionamiento irregular

Condición:

Banco de pruebas de A/A no refrigera (refrigerante intermitente en algunos

casos).

Anormalidad:

Vacío indicado en el lado de baja presión.

Presión baja en el lado de alta presión.

Insuficiente refrigerante.

Congelamiento o presencia de gotas de agua en la cañería del lado de

baja presión.

Posibilidad de causar sobre temperatura en el interior del compresor.

Causa:

Defecto en la válvula de expansión (no controla correctamente el fluido).

Diagnóstico:

Exceso de refrigerante en los tubos de baja presión.

Exceso abertura de la válvula de expansión.

Solución:

Chequear la válvula de expansión. Si esta defectuosa, sustituirla.

Efectuar la evacuación adecuadamente y cargar el sistema con el nuevo

refrigerante. (Negri, 1999) (Dwiggins, 1990).

139

4.2.3.1.8 Deficiencia en el compresor

Condición:

Banco de pruebas de A/A no refrigera.

Anormalidad:

Presiones tienden a ser iguales.

Lado de alta presión con presión baja.

Lado de baja presión con presión alta.

Causa:

Vaciamiento interno en el compresor.

Diagnóstico:

Compresor con defecto, pudiendo ser:

Paleta quebrada

Placa oscilante suelta en el eje.

Cavado sobre la paleta.

Fallas dimensionales posibilitando interconexión entre las cámaras:

Desgaste de alguna pieza.

Solución:

Sustituir el compresor. (Negri, 1999) (Dwiggins, 1990).

140

4.2.3.2 Fallas de los ventiladores

Condición:

Los ventiladores no tienen fuerza y no se mueven.

Anormalidad:

No hay flujo de aire atreves del condensador ni el evaporador o los

ventiladores no funcionan.

Causa:

Obstáculo de objetos.

Problema

Diagnóstico:

Ventiladores flojos o inmovilizados.

Objetos o suciedad alojados en los ejes de los ventiladores.

Acumulación de suciedad entra las aletas del evaporador y

condensador.

Interruptor defectuoso.

Voltaje de batería bajo.

Fusible fundido.

Cableado de ventiladores rotos o flojos.

Ventilador golpea contra su carcaza.

Ventilador deformado.

141

Solución:

Hacer una limpieza y lubricación de los ventiladores.

Cambiar o reparar el elemento eléctrico con defecto. (Negri, 1999)

(Dwiggins, 1990)

4.2.3.3 Ruidos anormales

Anormalidad:

El banco de pruebas de A/A presenta ruido cuando está conectado.

Nota: Todo ruido generado en la estructura o motor es amplificado y sigue por

las tuberías hacia el exterior del banco de pruebas. Este ruido puede tener

diversos orígenes y por innumerables veces es diagnosticado incorrectamente,

considerándose el compresor como único causador de la falla.

Causa:

1. Compresor:

Movimiento o raspado en compresor debido a irregularidades en

zona interior.

Sobrecalentamiento.

Componentes dañados.

Corrosión interna (humedad).

2. Embrague magnético:

Polea suelta.

Rodamiento desgastado o dañado.

3. Polea del motor eléctrico:

Chaveta de polea floja.

Desalineada.

142

4. Motor do electro ventilador:

Desbalanceado.

Interferencia con la carcasa.

Montaje inadecuado (suelto).

5. Caja de ventilación/ aire acondicionado:

Rotura de algún componente interno.

Suciedad suelta en el interior de la caja de aire (objetos, piedras,

etc)

6. Condensador:

Interferencia con la carrocería.

Puntos de fijación quebrados.

7. Soporte del compresor:

Abollado o quebrados.

Montaje con los tornillos sueltos o mal apretados.

8. Tubos y mangueras:

Soporte y acoples inadecuadamente apretadas o montadas.

Interferencia con la carrocería.

Solución:

Luego de constatar el origen del ruido, sustituir o ajustar el componente fallado

o mal fijado. (Negri, 1999) (Dwiggins, 1990)

4.2.3.4 Fallas eléctricas

Anormalidad:

Banco de pruebas de A/A no funciona, o con funcionamiento intermitente.

143

Causa:

Cable cortado o desconectado.

Fusible del banco de pruebas quemado.

Comando quemado.

Falla de masa.

Presostato o termostato defectuoso.

Batería descargada.

Relé del banco de pruebas defectuoso.

Diagnóstico:

Chequear la existencia de fusible quemado.

Testear la continuidad y masa de todas los componentes eléctricos del

sistema de A/C.

Testear tensiones en las entradas:

De embrague magnético.

De presostato.

De termostato.

Verificar relé.

Chequear las condiciones generales de la batería.

Manoseo inadecuado:

Evitar cargar el compresor por los Cables o forzar los cables del

embrague magnético por cualquier motivo.

Solución:

Sustituir componente defectuoso. (Negri, 1999) (Dwiggins, 1990)

144

Nota: Este esquema va a facilitar la instalación eléctrica, tanto como circuito de

control y de potencia. Figura 98.

Figura 98. Diagrama del sistema eléctrico del banco de pruebas de aire

acondicionado.

(Julio Vallejo, 2013)

145

CAPÍTULO 5

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1 CONCLUSIONES

En el presente proyecto de tesis de grado se construyó, se probó e

instaló un banco de pruebas de climatización automotriz el cual, se

implementará como material didáctico en la Facultad de Ciencias de la

Ingeniería de la UTE.

Tras estudiar el ciclo de funcionamiento de un sistema de refrigeración,

se elaboró un manual donde los estudiantes se guiarán y podrán

familiarizarse con el proceso a seguir para hacer una práctica de

laboratorio en el taller automotriz.

Después de una investigación y construcción del banco de pruebas de

climatización se diseñó una guía de plan de mantenimiento para el

cuidado y el óptimo funcionamiento del mismo a largo plazo.

Los beneficiarios del proyecto e implementación del banco de pruebas

en el taller automotriz de la universidad (UTE) son directamente los

estudiantes, ya que mediante él van a desarrollar sus habilidades y

mejorar sus conocimientos en la materia de Climatización Automotriz.

A través de la investigación, consulta y elaboración del proyecto se logró

llenar vacíos de conocimientos básicos de lo que es la climatización

automotriz y el funcionamiento de un aire acondicionado.

146

Se seleccionó un equipo de aire acondicionado con sus componentes, el

cual, pueda acoplarse y nos permita la construcción del banco de

pruebas en una maqueta didáctica que permita el acceso de los

estudiantes para su manipulación y pruebas en el mismo.

5.2 RECOMENDACIONES

Para la manipulación y pruebas en el banco de pruebas se recomienda a

los estudiantes siempre utilizar equipo adecuado de protección dentro

del taller como mandil, gafas protectoras y zapatos puntas de acero.

Adicionalmente debe existir un profesor o supervisor que tenga

conocimiento del tema o algún estudio del mismo.

Para la recarga de refrigerante se recomienda siempre el uso de

refrigerante R-134a ya que este tiene propiedades que reducen y

protegen la contaminación del planeta y el calentamiento global.

Dar un periódico mantenimiento tanto a los componentes eléctricos

como cada uno de las partes de la maqueta, esto se lo realizará en un

periodo semestral y con esto se optimizará su funcionamiento además

de prevenir cualquier tipo de avería.

Se deberá tener en cuenta los pasos a seguir para un encendido y

funcionamiento del banco de pruebas. Primero verificando la presión del

sistema, que todas las partes estén bien sujetas y aferradas, y

finalmente haciendo una buena conexión del motor eléctrico, el cual,

deberá siempre ser conectado a una corriente eléctrica de 220v el

mismo que hará funcionar al compresor y por lo tanto, a todo el sistema.

147

Si se da el caso de fuga de refrigerante, por algún componente o cañería

se debe proceder a hacer un vaciado del sistema seguido de la

reparación de la fuga para posteriormente poder volver a cargar el

sistema con el nuevo refrigerante R-134a; para esto se deberán seguir

los procedimientos y pasos descritos en la puesta a punto del banco de

pruebas.

Capacitar y actualizar a profesores o guías en cuanto a la manipulación,

nueva información y tecnología que cada día avanza, esto con la

finalidad de transmitir esos conocimientos a los estudiantes y cumplir así

con la misión de la Universidad Tecnológica Equinoccial que es formar

con excelencia y liderazgo profesionales íntegros, comprometidos con el

desarrollo de la ciencia y la sociedad.

148

BIBLIOGRAFÍA

Pita E, Limusa. (1991). Principios y Sistemas de Refrigeración. México.

Ediciones Negri, (1999) Manual de Aire Acondicionado del Automóvil.

Argentina.

Roy J Dossat, CECSA. (1997) Principios de Refrigeración. Ohio 1997.

Boyce H, Dwiggins. DELMAR Publishers. (1990) Automotive Air Conditioning.

Florida.

Fernández D, Irwins. (2003) Termodinámica Técnica. España.

Buque F, Alfaomega. (2007) Manual Práctico de Refrigeración y Aire

Acondicionado. Colombia.

Tom Brich, Prentice-Hall. (1996) Manual de Aire Acondicionado y Calefacción

Automotriz. España.

LINKOGRAFÍA

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http://www.valycontrol.com.mx/mt/mt_cap_12.pdf

http://www.frio7.com/docutecn/conceptos_funcionamiento_aa.pdf

http://aireacondicionadoutomotriz.blogspot.com/2010/04/aire-acondicionado-

automotriz.html

150

ANEXOS

ANEXO 1.

Gráfica Presión vs Entalpía

151

ANEXO 2.

Factores de conversión para medidas de longitud

ENTRE LOS SISTEMAS MÉTRICO E INGLÉS Milímetros (mm) x 0.03937 = Pulgadas (pulg.) Milímetros (mm) x 0.00328 = Pies (pie) Centímetros (cm) x 0.3937 = Pulgadas (pulg.) Centímetros (cm) x 0.0328 = Pies (pie) Metros (m) x 39.3701 = Pulgadas (pulg.) Metros (m) x 3.2808 = Pies (pie) Pulgadas (pulg.) x 25.4 = Milímetros (mm) Pulgadas (pulg.) x 2.54 = Centímetros (cm) Pulgadas (pulg.) x 0.0254 = Metros (m) Pies (pie) x 304.8 = Milímetros (mm) Pies (pie) x 30.48 = Centímetros (cm) Pies (pie) x 0.3048 = Metros (m)

152

ANEXO 3.

Conversión de temperaturas

Formulas:

F = Multiplicar Centígrados por 1.8 y sumar 32 al resultado C = Restar 32 a los Fahrenheit y dividir entre 1.8

°C °F °C °F °C °F

-40 -40 50 122 140 284

-35 -31 55 131 145 293

-30 -22 60 140 150 302

-25 -13 65 149 155 311

-20 -4 70 158 160 320

-15 5 75 167 165 329

-10 14 80 176 170 338

-5 23 85 185 175 347

0 32 90 194 180 356

5 41 95 203 185 365

10 50 100 212 190 374

15 59 105 221 195 383

20 68 110 230 200 292

25 77 115 239 205 401

30 86 120 248 210 410

35 95 125 257 215 419

40 104 130 266 220 428

45 113 135 275 225 437

153

ANEXO 4.

Medidas de Presión