Miniaturización, mayor eficiencia, menor consumo: Aire acondicionado móvil con dióxido de carbono

Miniaturización, mayor eficiencia, menor consumo: Aire acondicionado móvil con dióxido de carbono

El dióxido de carbono ha sido reconocido como refrigerante durante más de 150 años. El hecho de que recién ahora esté ganando entrada en el aire acondicionado móvil se debe a la presión aplicada por los legisladores para reducir los gases de efecto invernadero y también a la mejora de las capacidades técnicas. La medición de la presión juega un papel central en este último proceso.

Los gases fluorados de efecto invernadero con un potencial de calentamiento global superior a 150 han sido prohibidos por una directiva de la UE desde enero de 2011 en el aire acondicionado de vehículos. Mientras tanto, el refrigerante de tetrafluoroetano común (R134a) ha tenido que utilizarse en sustitución. Debido a que el CO 2 es 1.430 veces menos dañino para el clima que el R134a, se ofrece como una alternativa debido a su mayor rendimiento de enfriamiento y buenas características químicas.

Los argumentos a favor del CO 2 como refrigerante ya no pueden descartarse.

  • Como gas natural, disfruta de una disponibilidad mundial ilimitada y de una rentabilidad.
  • Es mucho menos dañino que otros refrigerantes, como R134a, R404A, R407C y otros.
  • Al ser un subproducto de los procesos industriales, no necesita una fabricación costosa.
  • A diferencia de otros refrigerantes nuevos, ya se ha investigado mucho desde el punto de vista toxicológico.
  • No es tóxico ni inflamable y por lo tanto representa un riesgo de peligro menor que otros materiales.
  • También es compatible con todos los demás materiales habituales.
  • Muestra un rendimiento de refrigeración muy alto volumétricamente y también es adecuado para bombas de calor.

Sin embargo, el cambio de R134a a R744 (la abreviatura de CO 2 en forma de refrigerante) no se puede implementar simplemente como está. Ciertas desventajas se interponen en el camino de sus múltiples virtudes, que por cierto solo se aplican en el caso de construir acondicionadores de aire móviles para uso en vehículos. Cabe destacar aquí una presión de trabajo muy alta y su baja temperatura crítica de 31 ° C. Por lo tanto, la conversión a R744 debe hacer un desvío necesario a través de los bancos de prueba del fabricante y los de sus proveedores.

Aire acondicionado con CO 2 – Cómo funciona

El funcionamiento de un acondicionador de aire común comienza, por supuesto, con la activación de un interruptor de CA dentro del vehículo. Como resultado, se energiza el acoplamiento magnético del compresor (aunque los compresores más nuevos no tienen acoplamiento magnético, y la presión se regula internamente mediante la carrera del pistón). A continuación, se establece una conexión entre la polea y el eje del compresor, y el compresor aspira ahora el refrigerante gaseoso. Ahora se condensa aquí y luego se fuerza a la tubería de alta presión. En este proceso, sin embargo, la temperatura del refrigerante aumenta. El condensador integrado en la parte delantera del vehículo es responsable de volver a bajar esta temperatura. En esta etapa, el estado físico del refrigerante cambia de gaseoso a líquido. El ahora líquido refrigerante se desvía al receptor-secador, donde se elimina la humedad. Próximo, el refrigerante pasa a través de la válvula de expansión. Después de pasar esta constricción, el refrigerante altera nuevamente su estado físico dentro del siguiente evaporador. La energía necesaria para este cambio se extrae del aire ambiente, que a su vez reduce la temperatura dentro del interior del vehículo. Ahora el compresor puede volver a aspirar el refrigerante gaseoso, lo que permite que el ciclo comience de nuevo.

Este principio de enfriamiento también sigue siendo el mismo para la aplicación R744. La única diferencia es que el marco técnico se modifica un poco. Debido a sus características, el dióxido de carbono impone otros requisitos al sistema en cuanto a presión y temperatura.

En comparación con un sistema de refrigeración móvil común, el intercambiador de calor interno adicional representa la mayor diferencia de todas. Esto es esencial porque los acondicionadores de aire que utilizan CO 2 funcionan con una disipación de calor supercrítica por encima de 31 ° C. El ciclo de enfriamiento procede de la siguiente manera: el gas se condensa a una presión supercrítica dentro del compresor. Desde allí ingresa a un enfriador de gas, que desempeña el papel de condensador, en comparación con los sistemas comunes. El gas se enfría aquí, pero no se produce condensación. Entonces se produce un enfriamiento adicional en el siguiente intercambiador de calor. En el siguiente paso, el CO 2 se empuja a través de la válvula de expansión, transformando el gas en forma de vapor. A continuación, esta porción de vapor se evapora dentro del evaporador, donde tiene lugar el efecto de enfriamiento.

Aparte del intercambiador de calor interno y el enfriador de gas que reemplaza al condensador, la alta presión esencial para este sistema representa la mayor diferencia con los sistemas de enfriamiento móviles anteriores. Las exigencias sobre la solidez de todos los componentes utilizados aumentan de acuerdo con la presión del sistema. Esta alta presión influye especialmente en la construcción del compresor, que como resultado necesita un nuevo diseño.

Las altas presiones requieren tecnología de medición de alto rendimiento

Un aspecto central en la construcción de nuevos compresores está representado por el tamaño molecular muy pequeño del CO 2 , ya que se difunde rápidamente a través de materiales de sellado comunes. Por lo tanto, se requiere un sello del eje completamente nuevo para evitar la pérdida de enfriamiento. Este sello debe resistir las características químicas del refrigerante y ser capaz de soportar altas presiones del compresor en funcionamiento continuo, lo que puede determinarse durante pruebas a largo plazo en un banco de pruebas.

Incluso la carcasa del compresor en sí no puede adoptarse simplemente de los sistemas de refrigeración comunes. Para operar de manera eficiente a largo plazo, debe poder soportar altas temperaturas. Las presiones de succión muy fluctuantes, que influyen decisivamente en las presiones de la cámara de accionamiento, también representan un desafío importante. En el lado de alta presión, los valores máximos pueden alcanzar potencialmente un nivel de 200 bar. Debido a estas características, las fugas ocurrirían mucho más rápido entre los compresores comunes que cuando se opera con R134a. En comparación con hace varios años, hoy es posible una producción mucho más precisa de estos componentes y este problema ahora se puede superar. Por tanto, es imperativo un control constante de las presiones durante la construcción del prototipo.

Las altas presiones que surgen de los sistemas climáticos que utilizan CO 2 tienen más ventajas que los buenos atributos medioambientales y un mejor rendimiento de refrigeración en comparación con el R134a. Debido a la mayor densidad de CO 2 , el espacio de instalación necesario se reduce en comparación con refrigeradores similares o incluso de mejor rendimiento que utilizan R134a. Para el mismo rendimiento de enfriamiento, solo se requiere el 13% del flujo volumétrico de un compresor de refrigerante R134a.

Esta reducción de tamaño también refuerza el caso de una tecnología de medición de presión cada vez más compacta. Los sensores de presión de tipo piezorresistivo se ofrecen aquí debido a sus capacidades de miniaturización, función altamente precisa a bajas presiones e incluso sus resultados exactos en los rangos de presión más altos, en particular durante pruebas a largo plazo. Los transmisores  de presión de tipo piezorresistivo de STS ofrecen además a los fabricantes que desarrollan nuevos modelos la ventaja decisiva de que estos instrumentos, gracias a su construcción modular, pueden adaptarse rápidamente a nuevos requisitos.

A medida que se intensifica la “Guerra Fría”, aumenta la presión

A medida que se intensifica la “Guerra Fría”, aumenta la presión

El aire acondicionado automotriz sostenible ha sido objeto de un acalorado debate en los últimos años: el debate, apodado la “Guerra Fría” se ha centrado en el refrigerante de próxima generación que se utilizará en el aire acondicionado de los automóviles.

Alliance for CO 2 Solutions y sus partidarios, científicos, ONG y líderes empresariales, han abogado por que la industria del motor reemplace los compuestos químicos del calentamiento global como el R134a, con el refrigerante natural, dióxido de carbono (CO 2 , R744 / R-744).

El cambio, argumentan, reducirá los contaminantes de los vehículos en un 10% y reducirá las emisiones totales de gases de efecto invernadero en un 1% en todo el mundo. Si la Tecnología CO 2 se aplica en otros sectores, como refrigeración comercial e industrial, bombas de calor para calentamiento de agua, etc., puede llegar a erradicar hasta un 3% de los gases de efecto invernadero del mundo.

Sin embargo, la yuxtaposición de la oposición también tiene mérito: refrigerantes como el ‘Greenfreeze’ desarrollado por Greenpeace, basado en mezclas purificadas de butano / propano, son completamente ‘naturales’ y, debido a una mayor eficiencia sobre refrigerantes como el R134a, permiten pequeñas cantidades de refrigerante que se utilizará.

Y, el uso de refrigerantes de hidrocarburos puros, que son ‘compatibles con versiones anteriores’ con los sistemas de aire acondicionado de automóviles de Freón (R-12) anteriores, permitiría que estos sistemas se conviertan fácilmente, aumentando su eficiencia y evitando una mayor liberación de R-134a dañino y R-12 a la atmósfera.

A diferencia de los acondicionadores de aire Greenfreeze y a base de hidrocarburos, los sistemas de aire acondicionado de vehículos de motor que funcionan con R744 requieren un rediseño completo para hacer frente a presiones superiores a 100 bar. Los componentes del sistema existentes, como sellos, mangueras, válvulas e incluso compresores, nunca fueron diseñados para operar en estas condiciones. Y para empeorar las cosas, la UE decretó que el R134a se suspenda en enero de 2017.

Afortunadamente, existe otra alternativa: DuPont y Honeywell ya han desarrollado Hydrofluoroolefin (HFO) -1234yf en respuesta a la directiva de la UE de 2006 que exige que todos los vehículos nuevos vendidos en la UE estén equipados con refrigerantes de bajo potencial de calentamiento global (GWP). El límite se estableció en un valor de GWP de 150, que el R1234yf cumple fácilmente. Además, se descompone en la atmósfera en aproximadamente once días, y el cálculo del rendimiento climático del ciclo de vida, un modelo certificado por la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU., Confirma que es uno de “los refrigerantes más sostenibles para uso mundial”.

Sin embargo, existe una preocupación creciente sobre la inflamabilidad del R1234yf; incluso incitando a Mercedes-Benz a instalar un “sistema de enfriamiento” dedicado para dowear los puntos calientes del motor en el caso de un accidente que pueda conducir a la evacuación del sistema de A / C.

Con la notable excepción de las clases E y S, todos los vehículos nuevos de Mercedes-Benz se convertirán al refrigerante R1234yz a partir de enero de 2017: las clases E y S serán los primeros vehículos de producción en serie equipados con sistemas de aire acondicionado CO  .

La razón por la que estos modelos de gama alta están equipados primero con acondicionadores de aire cargados con CO 2 es por el tiempo de desarrollo y el costo para rediseñar los sistemas completos y probarlos de manera efectiva.

La presión extremadamente alta del sistema y el empaquetado optimizado de los componentes requirieron una amplia calificación del sistema. De particular preocupación fue el desempeño del condensador, evaporador, tuberías y mangueras, y sellos bajo presiones operativas significativamente más altas.

Durante el desarrollo, medir con precisión la presión de la línea con transmisores de presión en puntos críticos del aire acondicionado fue crucial para garantizar la integridad del sistema; una caída de presión sería una indicación temprana de que un componente, como un sello, falla, lo que requiere un rediseño. La medición precisa de la caída de presión sobre el evaporador también fue importante para verificar los parámetros de diseño y la eficiencia del componente.

Sin embargo, dado que la mayoría de los elementos del sistema se han “encogido” de tamaño, nunca será fácil colocar un sensor de presión exactamente donde se necesitaba. No obstante, al utilizar sensores de presión piezorresistivos de calidad  durante el desarrollo, el problema se superó rápidamente y el proyecto pudo completarse a tiempo para cumplir con el lanzamiento de enero de 2017.

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