SEDUC - Automotiva - Ar condicionado, Manuais, Projetos, Pesquisas de Física

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Escola Estadual de

Educação Profissional - EEEP

Ensino Médio Integrado à Educação Profissional

Curso Técnico em Manutenção Automotiva

Sistema de Ar-Condicionado

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1 - INTRODUÇÃO A REFRIGERAÇÃO

O uso do ar-condicionado em automóveis, que hoje é bem comum, está completando 70 anos. O primeiro carro a oferecer o equipamento como opcional foi o Packard 1939 , fabricado nos Estados Unidos. O primeiro veículo de montadora com ar condicionado foi um Pontiac em 1954. O primeiro ar-condicionado não era muito prático, ocupava todo o porta-malas do carro e não tinha regulagem de temperatura. Se esfriasse demais, a única coisa que o motorista podia fazer era desligá-lo. Outra curiosidade era o alto preço, equivalente a um quarto do valor que custava o carro. Se isso acontecesse hoje um carro no valor de R$ 57 mil, custaria mais de R$ 71 mil. Graças ao desenvolvimento da tecnologia e o aumento circunstancial do consumo hoje o valor gira em torno de 6 a 8% no país. O condicionador de ar veicular é item de série em alguns países da Europa, América do Norte e Oceania. Além de trazer o conforto para os ocupantes, o condicionador de ar está ligado com a segurança ativa do veículo. No Brasil, percebemos o crescimento deste setor, devido a maior oferta de veículos com este equipamento, oferecido pelas montadoras, seja como item de série ou até mesmo em instalações aftermarket, realizadas pelas concessionárias ou rede independente. Vemos tudo isto com bons olhos, mas ainda necessitamos de profissionais capacitados para atender esta demanda crescente. Será apresentado o sistema mecânico do condicionador de ar automotivo, os cuidados com manuseio deste equipamento, procedimentos e diagnósticos que ajudarão no aprendizado e no aprimoramento deste fascinante mundo da climatização automotiva. Bons estudos.

Meio Ambiente

A CAMADA DE OZÔNIO

Para entendermos os efeitos dos CFC’s na camada de ozônio, vamos conhecer primeiro as camadas da atmosfera terrestre, onde se localiza a faixa de ozônio protetora da Terra.

Termosfera

Esta é a camada mais elevada da atmosfera. O ar na termosfera é extremamente escasso. Mais de 90% de todo o ar da atmosfera, encontra-se abaixo dessa camada.

Mesosfera

O topo da mesosfera tem as temperaturas mais baixas da atmosfera. As trilhas feitas pelos meteoros aparecem nestas camadas superiores da mesosfera.

Estratosfera

A temperatura do ar na Estratosfera varia de acordo com sua altitude. No topo desta camada, o ar atinge temperaturas de até -3°C. É nesta camada que voam os aviões a jato.

Troposfera

A maioria das nuvens e tempestades ocorrem na troposfera, a camada de ar mais próxima da Terra. Nesta camada, quanto maior a altitude, menor é a temperatura.

O ozônio é um gás composto de 3 de átomos de oxigênio (O3) levemente azulado, gerado quando as moléculas de oxigênio (O2) absorvem raios ultravioleta (U.V.). Nesta condição, o oxigênio se decompõe,

fazendo com que os átomos deste elemento químico se juntem a outras moléculas de oxigênio formando o gás ozônio O2 + O = O3. 90% da camada de ozônio da Terra está contida na estratosfera numa faixa fria da atmosfera, localizada entre 9.600m e 24.000m da Terra. Esse ozônio da estratosfera é que protege a Terra contra a radiação ultravioleta.

Qual a importância da camada de ozônio?

A luz do sol é formada por vários tipos de raios chamados de radiações. Os raios ultravioletas presentes em grande quantidade na luz do sol são muitos nocivos a qualquer organismo vivo. A função da camada de ozônio é justamente filtrar estes raios solares permitindo que somente uma pequena quantidade de raios U.V. atinjam a superfície da Terra.

O que são os raios Ultravioletas?

Raios ultravioletas são ondas luminosas as quais se encontram exatamente acima do extremo violeta do espectro da luz visível que chega aterra. De acordo com o comprimento de onda seja ela curta ou longa, a mais prejudicial são as ondas curtas. Os raios ultravioletas (raios UV) são classificados em raios UV-A, UV-B e em raios UV-C.

O Buraco na Camada de Ozônio

A camada de ozônio é uma capa desse gás que envolve a Terra e a protege de vários tipos de radiação, sendo que a principal delas, a radiação ultravioleta, é a principal causadora de câncer de pele. No último século, devido ao desenvolvimento industrial, passaram a utilizar produtos que emitem cloro flúor carbono (CFC), um gás que ao atingir a camada de ozônio destrói as moléculas que a formam (O3), causando assim a destruição dessa camada da atmosfera. Sem essa camada, a incidência de raios ultravioletas nocivos a Terra fica sensivelmente maior, aumentando as chances de contração de câncer. Nos últimos anos tentou-se evitar ao máximo a utilização do CFCs e, mesmo assim, o buraco na camada de ozônio continua aumentando, preocupando cada vez mais a população mundial. As ineficientes tentativas de se diminuir a produção de CFCs, devido à dificuldade de se substituir esse gás, principalmente nos refrigeradores, provavelmente vêm fazendo com que o buraco continue aumentando, prejudicando cada vez mais a humanidade. Um exemplo do fracasso na tentativa de se eliminar a produção de CFCs foi a dos EUA, o maior produtor desse gás em todo planeta. Em 1978 os EUA produziam, em aerosóis, 470 mil toneladas de CFCs, aumentando para235 mil em 1988. Em compensação, a produção de CFCs em outros produtos, que era de 350 mil toneladas em 1978, passou para 540 mil em 1988, mostrando a necessidade de se utilizar esse gás em nossa vida quotidiana. É muito difícil encontrar uma solução para o problema.

No Brasil ainda há pouco com que se preocupar

No Brasil, a camada de ozônio ainda não perdeu 5% do seu tamanho original, de acordo com os instrumentos medidores do INPE (Instituto de Pesquisas Espaciais). O instituto acompanha a movimentação do gás na atmosfera desde 1978 e até hoje não detectou nenhuma variação significante, provavelmente pela pouca produção de CFCs no Brasil em comparação com os países de primeiro mundo. No Brasil apenas 5% dos aerosóis utilizam CFCs, já que uma mistura de butano e propano é significativamente mais barata, funcionando perfeitamente em substituição ao clorofluorcarbono.

Efeitos negativos ao meio ambiente

• Por outro lado devido à questão de segurança, estima-se que os custos de investimentos para instalações usando refrigerantes naturais são mais alto que para instalações usando refrigerantes sintéticos, dependendo do tipo e tamanho do sistema.
• Não há atualmente um refrigerante ideal, deve-se considerar que cada sistema de RAC dentro de suas particularidades para a escolha do refrigerante.
• Comparando com CFCs e HCFCs o uso destas alternativas apresenta desafios técnicos, incluindo as questões de segurança e eficiência.

Cuidados com a manipulação de fluidos refrigerantes

É preciso chamar a atenção sobre dois procedimentos aparentemente inofensivos, que na realidade provocam danos ambientais. Primeiro: achar que a liberação de compostos do tipo HFC não impacta o meio ambiente. Não devemos liberar nenhum gás para a atmosfera, sob pena de contribuir para o aumento do efeito estufa. Descartar o solvente R-141B após a sua utilização na limpeza dos sistemas frigoríficos na rede de esgoto. O correto é recolher e envasar este composto, após sua utilização, em cilindros apropriados e depois enviar às empresas certificadas pelos órgãos ambientais para que seja dada a destinação final segura.

Danos à saúde:

• Maior incidência de câncer de pele;
• Prejuízos ao sistema imunológico;
• Maior incidência de catarata;
• Queimaduras.

Danos ao Meio Ambiente:

• Redução da fotossíntese e do crescimento das plantas;
• Destruição dos fitos plânctons, base da cadeia alimentar marinha, com conseqüente aumento da emissão de gás carbônico;
• Aumento dos Gases do Efeito Estufa;
• Chuvas ácidas.

2 - NOÇÕES BÁSICAS

TEMPERATURA

Temperatura é definida como grau de agitação molecular de um corpo, ou seja, quanto maior a agitação molecular, maior a temperatura do corpo. A temperatura pode ser determinada pela utilização de um termômetro, como instrumento de medida, e que pode se apresentar no condicionador de ar automotivo em duas escalas de medidas distintas: Celsius (°C) e Fahrenheit (°F).

Para converter graus Celsius em Fahrenheit ou vice-versa, podemos aplicar a seguinte equação de conversão:

PRESSÃO

É a força exercida sobre uma determinada área.

Pressão atmosférica é o resultado do peso da coluna de ar sobre um determinado ponto. Ao nível do mar, isso representa 1,033 Kgf/cm2 ou 14,7 PSI. Unidades de medidas de pressão

CALOR

É uma forma de energia resultante do movimento vibratório das moléculas em um corpo. A intensidade dessa energia nos transmite as sensações de quente ou frio, em relação à temperatura do corpo humano. Ou seja, é uma forma de energia resultante da diferença de temperatura entre dois corpos, ou seja, calor é a transmissão da energia térmica.

Quando em duas regiões do universo existe uma diferença de temperatura, esta tende a desaparecer espontaneamente pelo aparecimento da forma de energia CALOR. O conjunto de fenômenos que caracterizam esta passagem da forma de energia calor é que denominamos Transmissão de Calor. Teoricamente a transmissão de calor pode ocorrer isoladamente por condução, convecção ou radiação.

Unidade de medida de calor

A unidade de medida mais tradicional para determinar a quantidade de calor é o BTU (BritishThermal Unit). Essa unidade térmica inglesa representa a quantidade de calor para aquecer um grau Fahrenheit (1°F), a quantidade equivalente a uma libra (454g) de água. Existe uma tendência mundial em se utilizar o sistema métrico para medir a intensidade de calor. Por esse sistema, a unidade de medida do calor é a Quilocaloria (Kcal), que representa o calor necessário para levar em um grau Celsius (1°C) a temperatura de 1 Kg de água.

Suas unidades de medidas podem ser: Joule, Cal, Kcal, Watt-hora, BTU...

A transferência de calor segue os seguintes princípios:

• Calor sempre transfere do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura (do mais “quente” para o mais “frio”);
• A massa dos corpos não se altera durante a transferência de calor;
• A taxa de transferência de calor é maior quanto maior for à diferença de temperatura entre os corpos.

As formas de transmissão de calor são definidas como Condução - Convecção – Radiação

Conceitos básicos de termodinâmica

O que é Refrigeração? É o ato de remover ou transferir o calor de um ambiente para outro.

O que é Calor? É uma forma de energia que se transmite de um corpo para o outro, como resultado de uma diferença de temperatura entre eles.

Fontes de Calor:

Condução: é a transferência do calor nos sólidos. Na figura, condução é a transferência de calor através das paredes do ônibus.

Convecção: é transferência de calor nos fluídos. Na figura, convecção é a transferência de calor através das correntes de ar dentro do ônibus.

Radiação: é a transferência do calor por raios, ou seja, é a transferência de calor do sol para a terra.

Pessoas: transferência de calor através da transpiração e respiração das pessoas.

Calor sensível: quando o calor absorvido ou cedido por um material causa uma mudança de temperatura no mesmo.

Calor latente: é a energia que causa ou acompanha uma mudança defase, não mudando a temperatura da matéria.

Calor específico

É representado pela quantidade de calor necessário para mudar a temperatura de uma massa em grau (1°C). As unidades de calor específico são:

• Kcal/Kg°C
• BTU/lb°F

Na tabela abaixo apresentamos o calor específico médio de algumas substâncias, válido entre 0°C a 100°C.

A água sobre pressão menor que a atmosférica começa a ferver em temperaturas inferiores a 100°C.

Quando a pressão é alta, o ponto de ebulição do líquido também se torna alto. Quando a pressão é baixa, o líquido começa a ferver a uma temperatura mais baixa. Para facilitar o entendimento, podemos dizer que a cada 400 metros de altitude, a temperatura de ebulição da água diminui em 1°C. Exemplo:

• Em São Paulo a altitude é de 800 metros....................................................... a água ferve a 98°C
• Em Campos de Jordão a 1.600 metros........................................................... a água ferve a 96°C
• Em La Paz (Bolívia) a 4.000 metros.............................................................. a água ferve a 90°C

Por essa razão, surgiu a panela de pressão. Com ela podemos elevar o ponto da ebulição e conseqüentemente a sua temperatura.

Calor x Temperatura

No dia-a-dia estamos constantemente entrando em contato com objetos ou ambientes onde podemos ter a sensação de quente ou frio, percebendo diferentes temperaturas. Algumas expressões podem até apresentar as palavras com seus conceitos trocados, como no caso da expressão “como está calor hoje!”, onde se usa a palavra calor para expressar a temperatura do ambiente. A partir disso se deduz que as sensações de quente e frio que temos também não são sensações de calor e sim de temperatura. Na verdade, temperatura de um objeto ou meio é a medida de o quanto estão agitados seus átomos e moléculas, enquanto que calor ou energia térmica é a quantidade de energia envolvida nessa agitação molecular. Por exemplo: Uma xícara de café contém pequena quantidade de calor, mesmo sabendo-se que sua temperatura é de 60°C. E também podemos dizer que uma piscina tem grande quantidade de calor, mesmo sabendo-se que a água está a uma temperatura de 20°C. Concluímos então que apesar da pequena quantidade de calor existente na xícara, o café tem uma temperatura mais elevada do que a água da piscina, por estar esse calor concentrado em um pequeno

volume.

UMIDADE

Quando colocamos água e gelo dentro de um copo, podemos notar que surgem gotas de água sobre a superfície externa do copo. Estas gotas de água vêm do ar ao redor do copo, portanto é resultado do vapor de água que estava contido no ar.

Essa umidade do ar pode ser representada de duas formas diferentes:

• Umidade Relativa do ar
• Umidade Absoluta

Umidade Relativa do ar (U.R.)

É a quantidade de água contida no ar, em relação à quantidade de água que o ar pode conter, a uma determinada temperatura. A capacidade de retenção de água do ar frio é menor do que a do ar quente. O ar com 10°C suporta uma quantidade de água menor do que o ar com uma temperatura de 30°C, para um mesmo volume de ar. A U.R. é obtida através da divisão entre a quantidade real de água pela quantidade máxima de água contida do ar.

Umidade Absoluta

Representa a quantidade de água no ar comparada com ar seco.

Estados da matéria

Podemos definir Estado da Matéria como as características de existência de um corpo sob determinadas condições físicas. Um corpo pode existir em três estados distintos: Sólido, líquido e gasoso.

3 - FLÚIDOS REFRIGERANTES

Fluído refrigerante é a substância que absorve calor de um ambiente a ser refrigerado. O processo através do qual se realiza essa troca de calor é chamada de refrigeração ou condicionamento de ar. Trata-se de fluídos que além de outras características, tem um baixo ponto de ebulição a pressão atmosférica. Após nadarmos em um dia quente, nós sentimos uma sensação de frescor. Isto ocorre, porque a água retira

Como todos os HFC, o R-134A necessita da utilização de óleos sintéticos, por forma a assegurar o retorno ótimo de óleo ao compressor. O R-134A não contém cloro e, portanto, apresenta menor ameaça ao meio ambiente do que o R - 12. Seu ponto de ebulição é de -26,15°C e seu ponto de solidificação é aproximadamente -139°C.

Características do R – 134A

O refrigerante R-134A é quimicamente similar ao refrigerante R-12 porém, os dois não são intercambiáveis ou compatíveis. Os designers de sistemas de condicionador de ar em veículos tiveram que modificar os seus desenhos para assegurar um desempenho adequado e operações qualitativas a longo prazo. Em geral, o desempenho do R-134A é menos eficiente do que o R-12 e requer componentes maiores. O R-134A exige mais pressão do sistema e mais fluência de ar através do condensador para retirar o calor armazenado no fluido refrigerante. O R-12 e o R-134A desenvolvem mais ou menos as mesmas pressões em temperaturas mais baixas. Acima de 8°C, o R-134A começa a atingir valores de pressão superiores a do R-12 quando submetido à mesma temperatura. O R-134A não contém cloro e tem uma potência de eliminação de ozônio igual a zero.

As principais alterações feitas para utilização do gás refrigerante R-134A foram:

• Forma e material das juntas e vedadores.
• Valores de pressão reajustados.
• Material do filtro ou acumulador
• Aumento da capacidade do condensador.

Diferenças entre os sistemas R-12 e R-134A

• R-134A absorve mais água que o R-12. São necessários novos agentes dissecadores;
• R-134A penetra nas mangueiras de borracha com maior freqüência que o R-12, necessita-se de mangueiras com forro de nylon;
• Óleos baseados em minerais não providenciam lubrificação adequada em sistemas com R-134A. O óleo desenvolvido para uso com R-134A em combinação com R-12 se decompõe formando algo parecido com “lama” e podem danificar sistemas;

• Sistema de condicionamento de ar que utilizam R-134A operam compressões maiores daqueles com R-12.
• Ambos os refrigerantes não são inflamáveis na temperatura ambiente. Contudo, o R-134A pode tornar-se inflamável nas pressões acima da pressão atmosférica, em combinação com concentrações de ar superiores a 60%.
• O R-134A absorve mais água do que o R-12. Isso significa que novos agentes dissecadores são necessários. O R-134A precisa de aproximadamente de 10% a 20% mais de agentes dissecadores do que sistemas com R-12.
• Foram desenvolvidos óleos especiais de polialkyleneglicol sintéticos (óleos PAG) para uso em sistemas com R-134A. Os óleos lubrificantes para sistemas de condicionadores de ar baseados em minerais, não providenciam lubrificação adequada em sistemas com R-134A.
• O R-134A tem um potencial de eliminação de ozônio (ODP) igual a zero. Entretanto, tem um potencial de aquecimento global de halocarbono de aproximadamente de 0,3. Portanto, a recuperação do R-134Aé obrigatória nos Estados Unidos desde 1995.

4 - CIRCUITO BÁSICO DE REFRIGERAÇÃO

O princípio de funcionamento dos condicionadores de ar, nada mais é do que a troca de temperatura do ambiente interno pelo externo, através da passagem do ar pela serpentina do evaporador (radiador frio) que por contato sofre queda de temperatura, baixando a umidade relativa do ar. A refrigeração é possível graças às mudanças de estado do refrigerante, ora em estado líquido (alta pressão), ora gasoso (baixa pressão). Ao mudar do estado líquido para o gasoso, processo chamado de evaporação, absorve o calor do ar dentro do habitáculo, superaquecendo o gás refrigerante. De modo inverso, ao passar do estado gasoso para o líquido, o refrigerante perde calor na parte externa do veículo, processo chamado de condensação, onde o gás refrigerante recebe super-resfriamento. Ou seja, perde o calor absorvido no evaporador. Quando alcançado a temperatura desejada é feita leitura através de um sensor localizado no evaporador que este por sua vez desliga o compressor,fazendo com que o equipamento mantenha a temperatura de conforto humano por algum tempo, qualquer variação nessa temperatura automaticamente aciona o compressor novamente.