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giovedì, 23 Maggio 2024
  • Il freddo tecnologico: climatizzazione per tutte le auto

    Il suo modo di operare è ignorato da molti così, come la necessità di manutenzione e i possibili costi che possono derivare da un suo malfunzionamento. Stiamo parlando dell’impianto di climatizzazione, un tempo un optional che solo alcuni potevano permettersi, mentre oggi, giustamente, è diventato un componente di base della vettura. Diciamo giustamente perché il sistema di climatizzazione è una delle conquiste tecnologiche che aiutano a migliorare sensibilmente la sicurezza attiva di un’auto. Le corrette condizioni ambientali dell’abitacolo, infatti, sono fondamentali per assicurare uno stato fisico adeguato del conducente, e naturalmente degli occupanti, con conseguenze importanti sulla sicurezza globale di marcia.
    Ma come funziona un sistema di climatizzazione? Presto lo vedremo in questo stesso articolo. Per iniziare è fondamentale però chiarire un concetto fisico di enorme importanza, molte volte male interpretato. Quando si hanno due corpi a temperature diverse posti vicino uno all’altro accade una cosa che tutti sperimentiamo giornalmente: il corpo caldo si raffredda, quello freddo si riscalda. Bene. È proprio su questo banale fenomeno che si basa tutto il funzionamento dei condizionatori. La semplicità con cui la fisica del fenomeno si esplica induce però molto spesso a una considerazione errata. Non è il corpo freddo che abbassa la temperatura di quello caldo ma bensì è quello caldo che alza la temperatura di quello freddo. Sembra un banale gioco di parole, ma è un modo semplice per dire che l’energia passa solo da un corpo caldo a uno più freddo, e non viceversa. Tutto ciò significa che se vogliamo estrarre calore dall’abitacolo della vettura dovremmo avere una sorgente più fredda a cui trasmettere il calore in eccesso, anche quando le condizioni climatiche esterne sono proibitive (ad esempio nelle estati molto calde).
    Se si tiene ben presente questo concetto, capire il funzionamento di un sistema di condizionamento dell’aria è un’operazione molto semplice. Sempre in questo articolo vedremo quindi tutti i componenti di cui è formato un tale sistema per capire a fondo cosa va sostituito in caso di malfunzionamento, ossia quali sono i ricambi che ruotano attorno al complesso mondo della climatizzazione per auto.


    Il funzionamento del sistema
    Prima di analizzare ogni singolo componente di un impianto di climatizzazione per autovetture è bene parlare, seppur brevemente, del modo in cui il sistema funziona. Dal punto di vista generale un circuito per la climatizzazione si compone di un evaporatore, di un compressore, di un condensatore e di una valvola di laminazione. Per assorbire il calore dall’interno dell’abitacolo, e cederlo quindi all’ambiente esterno, si utilizzano particolari fluidi di lavoro. Un tempo era in voga l’R22 che successivamente, a causa dei problemi relativi al buco dell’ozono, è stato sostituito con il noto R134a e altri derivati di ultima formulazione. La caratteristica di questi fluidi è quella di bollire, in corrispondenza della pressione atmosferica, a temperature molto basse. Proprio in virtù di questa loro proprietà si sfrutta la loro espansione per assorbire calore dall’ambiente interno della vettura e cederlo quindi, attraverso un processo di condensazione, a quello esterno. Vediamo pertanto come questo procedimento è reso possibile dall’attuale tecnologia.
    Il fluido di lavoro giunge liquido in prossimità dell’evaporatore a una pressione e temperatura tali da poter assorbire calore mantenendo invariata la propria temperatura. Si parla in questo caso di calore latente di evaporazione. In pratica, il fluido cambia la sua fase, passando da fluido a gas, lungo un processo che consente di estrarre calore dall’abitacolo. A questo punto è chiaro che, per poter cedere questo calore accumulato all’esterno, il fluido dovrà giungere nel condensatore a una temperatura superiore a quella dell’ambiente. Ciò è possibile grazie al compressore, che innalza la pressione del fluido stesso inviandolo quindi al condensatore. Qui avviene in un certo senso l’operazione inversa di ciò che normalmente accade nell’evaporatore. In altre parole, il fluido attraversando il condensatore passa dalla fase gassosa a quella liquida, cedendo calore all’esterno e mantenendo invariata la sua temperatura. In questo caso si parla di calore latente di condensazione. Il fluido allo stato liquido si trova ora pronto per ripassare nell’evaporatore, se non fosse che la sua pressione è ancora troppo elevata per poterne consentire l’ebollizione, e quindi il passaggio alla fase gassosa all’interno dell’evaporatore. Proprio per questo motivo i tecnici hanno previsto una valvola di laminazione, ossia una sorta di restringimento, che consente di abbattere la pressione del fluido prima che questo giunga all’evaporatore. Da questo punto in poi il ciclo ricomincia da zero.
    Passiamo ora ad analizzare i singoli componenti del sistema, fluido refrigerante compreso, che sono, nella pratica, gli elementi che possono essere soggetti a sostituzione per logoramento o rottura dovuto a cause esterne. Si tratta in breve sostanza di quelli che possono essere considerati i ricambi del sistema di climatizzazione e che più frequentemente si vedono all’interno delle officine.


    Il fluido di lavoro
    Qualche parola va spesa a proposito del fluido utilizzato dai moderni impianti di aria climatizzata. La relativa recente scoperta che i gas contenenti cloro siano dannosi nei confronti dello strato di ozono della stratosfera ha spinto il legislatore a chiedere, e quindi imporre, la sostituzione di tali gas. Questo è il motivo per cui da componenti come l’R12 o l’R22 si è passati all’R134a o simili.
    Questo genere di fluidi trovano facile applicazione sui sistemi di climatizzazione in virtù delle loro proprietà fisiche e in particolare di due specifiche: l’ebollizione a bassa temperatura, se portati a pressione atmosferica, e l’ebollizione ad alta temperatura, se compressi anche di poche decine di atmosfere. In parole più esplicite, se prendiamo il caso dell’R134a, abbiamo che questo gas, una volta portato alla pressione atmosferica, è in grado di bollire a una temperatura molto bassa (circa -26°C). Questo fatto lo rende utile nell’operazione di sottrazione del calore dall’abitacolo quando passa attraverso l’evaporatore. Se invece viene compresso a una pressione superiore alle 20 atmosfere, l’R134a bolle a circa 70°C, una situazione che viene comoda quando, transitando nel condensatore, il gas è in grado di cedere calore all’ambiente esterno. E ciò anche quando la temperatura di quest’ultimo è elevata (ad esempio le tipiche giornate afose estive).
    I circuiti utilizzati per gli impianti di climatizzazione delle auto sono, naturalmente, del tipo a tenuta stagna. Qualche piccola fuga è comunque possibile soprattutto nelle zone dove il fluido raggiunge le pressioni più elevate. Proprio per questo motivo è importante, periodicamente, prevedere un’aggiunta di fluido.


    I singoli componenti che formano il sistema
    I componenti che formano un circuito di aria condizionata sono numerosi se si considerano anche elementi come condotti, filtri, lubrificanti, ecc. In questa sede però approfondiamo la conoscenza solo dei principali e lo facciamo partendo proprio dall’evaporatore.
    Quest’ultimo non è altro che un pacco radiante, o un radiatore, o ancora uno scambiatore di calore, che consente al gas circolante nell’impianto di scambiare energia con l’abitacolo. Strutturalmente si compone generalmente di una serie di tubazione piegate in modo alternato e unite in un unico assieme, all’esterno del quale sono previste delle lamelle apposite che favoriscono lo scambio termico. Il tutto è a sua volta racchiuso all’interno di un contenitore in materiale plastico, che viene quindi alloggiato dietro la plancia. A proposito dell’evaporatore facciamo notare che la sua funzione legata all’assorbimento di calore dall’abitacolo non è in realtà l’unica. L’evaporatore infatti svolge un altro compito di estrema importanza: la sottrazione dell’umidità dall’ambiente interno. L’aria che lo lambisce, infatti, contiene del vapore acqueo, che quando viene in contatto con le sue pareti fredde condensa, trasformandosi quindi in acqua che viene poi scaricata.
    Passiamo quindi al compressore. Questo organo è il vero cuore del sistema, dato che si occupa di trasportare il fluido all’interno del circuito e di innalzarne i valori di pressione quando lo stesso passa dall’evaporatore alle porte del condensatore. La tipologia dei compressori utilizzati per gli impianti di climatizzazione è vasta. Esistono infatti compressori alternativi, a palette, a vite, a cilindrata fissa e variabile. Senza entrare nel merito dell’architettura tecnica di questi componenti facciamo notare che il loro movimento è assicurato da un sistema di collegamento con il motore (in genere attraverso cinghia) e che per il loro funzionamento è importante prevedere un lubrificante apposito. E su questo argomento è necessario un approfondimento. I lubrificanti utilizzati all’interno degli impianti di climatizzazione non sono tutti uguali e soprattutto differiscono in base al tipo di gas utilizzato. È bene sapere che un lubrificante utilizzato per R12 o R22 non va assolutamente bene per l’R134a. Nel primo caso infatti si utilizzano olii minerali. Nel secondo lubrificanti sintetici. Ma il vero problema legato alla compatibilità del lubrificante non risiede tanto nel tipo di gas, quanto nella tipologia di guarnizioni utilizzate per sigillare l’impianto. Usare un lubrificante errato porterebbe, sul medio e lungo periodo, a un decadimento delle proprietà di tali guarnizioni con conseguenze ovviamente immaginabili.
    Il discorso fatto in merito al lubrificante adatto è connesso anche con un altro genere di problema, anch’esso di importanza strategica. Se l’olio utilizzato non è corretto, significa che non è perfettamente miscibile con il gas. Ciò significa che una volta che è stato spinto fuori dal compressore non ritornerà più a quest’ultimo che si troverà, in questo modo, privo di effetto lubrificante. I danni da grippaggio del compressore sono solitamente irreversibili e portano a conseguenze economiche non molto “piacevoli”.
    Dopo il compressore troviamo il condensatore. Anche in questo caso si tratta né più né meno che di un radiatore, o scambiatore di calore, che grazie alla sua superficie riesce ad agevolare lo scambio di calore tra fluido caldo e ambiente esterno a temperatura inferiore. I condensatori, generalmente realizzati in rame (che presenta ottime doti di scambio termico) sono costruiti con una struttura che prevede una serie di tubazioni di piccolo diametro circondati da alette. Il posizionamento del pacco radiante è solitamente previsto di fronte al radiatore motore. A tal proposito è bene prestare attenzione ad alcuni particolari. Se il radiatore del motore e quello dell’aria condizionata sono troppo vicini, si rischia di agevolare lo scambio termico tra i due, con effetti dannosi sul sistema di raffreddamento del motore, che non riesce più a regolare la temperatura del fluido refrigerante. Se però i due radiatori vengono messi a distanza troppo elevata, può accadere che i vortici che si formano nell’intercapedine limitino l’effetto di scambio termico (per convezione) dell’aria esterna che impatta nella zona. In altre parole, può essere un consiglio pratico interessante posizionare i due radiatori a una distanza di circa 15-20 millimetri. Un altro accorgimento riguarda l’elettroventilatore montato sul radiatore del motore. Quest’ultimo in genere lavora per aspirazione, ossia aspira aria dal frontale della vettura e lo butta verso la paratia del motore. Quando viene montato un impianto di aria climatizzato, la presenza del condensatore è chiaramente controproducente nei confronti del raffreddamento del motore, dato che la ventola si troverà ad aspirare aria più calda. In questo caso le soluzioni sono diverse. Si possono montare due elettroventilatori, di cui uno nella parte anteriore del condensatore, che lavora quindi per spinta (spingendo l’aria contro il radiatore). La seconda soluzione è quella di montare un radiatore motore più grande. La migliore, spazio permettendo, sarebbe chiaramente quella di montare il condensatore in una zona differente dal radiatore del motore.
    Rimane infine la valvola di espansione. Questo componente è realizzato in modo differente a seconda dei costruttori, ma in generale si tratta di una strozzatura regolata che consente al fluido in arrivo dal condensatore di portarsi in una zona a pressione molto più bassa e quindi a una temperatura anch’essa ridotta. La valvola di espansione è tale da consentire al fluido di ritornare in una fase prossima a quella dell’ebollizione, per poter entrare nell’evaporatore e assorbire, a temperatura e pressioni costanti, calore dall’abitacolo attraverso il processo di espansione che lo porterà nuovamente al compressore.
    Di valvole di espansione ce ne sono di numerosi tipi. Tra i più comuni ricordiamo quelle ad L e quelle ad H. Le differenze sostanziali tra i due tipi si possono vedere nelle immagini di questa pagina. In ogni caso si tratta di elementi composti da un corpo fornito di raccordi di ingresso e di uscita e dalle canalizzazioni per il passaggio calibrato del refrigerante. Nel caso della valvola ad L abbiamo poi una capsula superiore, un gruppo per la regolazione del flusso del refrigerante e una coppia di perni che collegano il diaframma al sistema di regolazione della portata. Nel caso della valvola ad H, invece, bisogna aggiungere il sensore termostatico e, anche in questo caso, il gruppo di regolazione vera e propria del flusso di refrigerante.


    Il filtro
    Come ogni circuito anche quello del sistema di climatizzazione prevede un filtro per la depurazione del fluido che circola all’interno del sistema. Il filtro degli impianti di aria climatizzata svolge anche l’importante funzione di serbatoio di accumulo per il refrigerante. Si tenga anche conto che i filtri considerati sono in grado di bloccare particelle di dimensioni pari o superiori ai 15 micron (un micron è, a sua volta, pari a un millesimo di millimetro, 1 micron = 1/1000 mm).
    I principali produttori di ricambi per i sistemi di climatizzazione
    I più grossi costruttori di impianti di climatizzazione sono probabilmente noti a tutti e il loro numero è comunque ridotto. Come spesso accade nel settore tecnico, infatti, i costruttori di componenti specifici sono pochi, mentre i particolari venduti sotto marchi diversi sono molto più numerosi. Questo fatto è assolutamente in linea con quello che prevede il mercato globale in cui tra i costruttori e il cliente finale si posizionano i cosiddetti assemblatori, ossia aziende che sono specializzate nel raccogliere componenti dai diversi fornitori (facendoli marchiare come propri) per realizzare infine un vero e proprio sistema completo funzionante. Quando pertanto si procede alla sostituzione di un pezzo è molto importante far riferimento al codice del prodotto proprio per individuare se esistono più costruttori che producono lo stesso oggetto (scegliendo eventualmente il più conveniente) e per ottenere l’esatta corrispondenza con le specifiche dell’esemplare da sostituire.


    Articolo di Roberto Balotti pubblicato su Notiziario Motoristico (marzo 2007)

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