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I primi prototipi dei sistemi di climatizzazione comparvero negli anni’30; successivamente la General Motors iniziò a collaudarli sulle Packard e Cadillac nei primi anni ’40. Per il primo sistema di climatizzazione, utilizzato sulla Chrysler Imperial, bisogna attendere il 1953; da quel momento tale dispositivo subì una veloce evoluzione diventando sempre più performante. Oggi è presente in quasi tutte le vetture e ne siamo così abituati da considerarlo scontato.
Il climatizzatore dell’auto è un elemento di comfort irrinunciabile che migliora la vita degli occupanti soprattutto durante i periodi estivi di afa e caldo eccessivi, tuttavia non sempre e non tutti usano quest’accessorio correttamente. Conoscerne il funzionamento ne garantisce il corretto utilizzo senza sprechi e lo trasforma in un indispensabile alleato.
Lo scopo dei climatizzatori è quello di sottrarre calore dall’abitacolo e deumidificare l’aria al suo interno. Gli impianti di climatizzazione per automobili, sfruttano il principio fisico della convezione; quando fluidi di differenti temperature entrano in contatto, avviene un trasferimento di calore dagli atomi più caldi verso quelli più freddi. Inoltre è impiegato il fenomeno fisico secondo cui quando un liquido diventa un gas, assorbe del calore e quando un gas diventa un liquido libera del calore. In particolare è il liquido refrigerante che muovendosi nell’evaporatore bolle (è caratterizzato da una bassa temperatura di evaporazione) ed assorbe il calore che si trova nell’abitacolo. Quindi il climatizzatore in realtà non produce aria fresca ma elimina quella calda.
Gli elementi fondamentali del sistema di climatizzazione sono:
Un condensatore, una valvola di espansione, un evaporatore e un compressore (elementi principali del circuito “freddo”), il filtro ed una centralina elettronica di gestione.
La centralina elettronica e l’evaporatore sono interni all’abitacolo mentre gli altri componenti si trovano nel vano motore. All’interno del circuito del freddo c’è il gas refrigerante che circolando nell’impianto e trovandosi a contatto con l’aria svolge l’azione di sottrarre e trasportare il calore dall’interno all’esterno della vettura.
Il compressore, trascinato dal motore, ha il compito di comprimere il gas refrigerante portandolo da 1 bar a 16 bar circa; il gas così compresso passa attraverso il condensatore, condensa e cede calore all’esterno. Il gas condensato ed ad alta pressione viene fatto passare attraverso la valvola di espansione nella quale il liquido espandendosi, si raffredda portandosi da una temperatura di circa 60°C ad una temperatura di -20°C e riducendo la pressione dai 16 bar ad 1 bar. Il liquido così freddo è in grado, passando attraverso l’evaporatore e ritrasformato in gas, di assorbire calore dall’aria dell’abitacolo. Uscito dall’evaporatore il gas torna nel compressore dove ricomincia il ciclo fino al disinserimento del climatizzatore.
Il climatizzatore impiegato nelle auto può essere essenzialmente di due tipi:
1) Manuale:
Il livello di temperatura e umidità all’interno del veicolo viene controllato manualmente mediante tasti e manopole dall’utilizzatore; le alette per il convogliamento dell’aria vengono regolate mediante tiranti flessibili. L’impostazione aria fresca/ricircolo viene comandata elettricamente ed il ricircolo è a regolazione meccanica mediante manopola. Tale sistema presenta lo svantaggio di raggiungere con difficoltà le condizioni desiderate di temperatura e umidità.
2) Automatico:
In questo caso all’utilizzatore è richiesta solamente l’impostazione della temperatura e del livello di umidità desiderato; sarà poi il sistema a raggiungere in autonomia, mediante regolazione automatica attraverso una centralina di comando (regolazione della temperatura e della portata d’aria) tali parametri; dei sensori individuano la temperatura nell’abitacolo, un elaboratore compara quest’ultima con la temperatura che è stata richiesta e i flussi d’aria calda o fredda sono controllati di conseguenza. Questo tipo di sistema permette di avere una temperatura costante nell’abitacolo e l’aria fresca/ricircolo nonché la valvola di accumulo, vengono movimentati da un unico attuatore elettrico.
L’evaporatore è uno scambiatore di calore che, esternamente viene investito dall’aria spinta da una ventola e diretta all’interno dell’abitacolo. L’aria passando attraverso l’alettatura dell’evaporatore si raffredda raggiungendo circa i -10°C. All’interno dell’evaporatore, il fluido refrigerante, uscito dalla valvola di espansione, entra liquefatto e ne fuoriesce in forma gassosa.
Il compressore ha il compito di comprimere il gas refrigerante uscito dall’evaporatore. Il compressore può essere di tipo rotativo a palette o alternativo a pistoni (con cilindrata fissa o variabile). Negli impianti più recenti il compressore è sempre a cilindrata variabile. Questo permette di lavorare a pressione variabile, il compressore assorbae una potenza proporzionale alla richiesta di condizionamento, ottimizzando i consumi. Il compressore viene collegato al motore tramite un’elettrofrizione che si attiva nel momento in cui viene richiesta la refrigerazione (è possibile notare, infatti, avviando il sistema di climatizzazione, il rumore tipico di azionamento della frizione).
Il condensatore posto davanti al radiatore, è un altro scambiatore di calore che ha il compito di liquefare il gas refrigerante. L’aria che arriva frontalmente alla vettura, infatti, passa attraverso l’alettatura del condensatore sottraendo calore e provoca la liquefazione del gas.
La valvola d’espansione ha il compito, riducendo la pressione, di far espandere il liquido refrigerante abbassandone la temperatura.
Altro componente importante è il filtro disidratatore, che ha il compito di eliminare ogni minima presenza d’acqua dal refrigerante. L’acqua infatti, risulterebbe particolarmente dannosa per il compressore.
Per la gestione dell’impianto, nel circuito sono inseriti dei dispositivi di controllo che impediscono il manifestarsi di condizioni critiche. Il pressostato serve a proteggere il sistema nel caso in cui, durante il funzionamento, si generino valori di pressione anomali all’interno del circuito di alta pressione (interviene quando il valore di pressione del gas refrigerante sia inferiore a 3 bar o quando superi i 27 bar; inoltre è utilizzato per aumentare lo scambio termico del condensatore azionando il relativo elettroventilatore, quando il valore di pressione raggiunge i 16 bar, per poi disinserirlo se la pressione scende al di sotto di 12 bar).
Il termostato controlla la temperatura sull’evaporatore, abilitando o meno il funzionamento del compressore. È utilizzato principalmente per evitare la formazione di ghiaccio su questo scambiatore di calore; interrompe l’alimentazione del compressore a temperature prossime ai 3-4 °C e lo riattiva con temperature intorno agli 8-10 °C.
La temperatura interna ed esterna viene misurata tramite due rispettivi sensori, uno posto all’interno dell’abitacolo (sensore di temperatura interna) e l’altro posizionato solitamente sotto lo specchietto retrovisore esterno destro (sensore di temperatura esterna). I due sensori sono fondamentali per determinare la potenza refrigerante che il circuito del freddo deve erogare. Altri sensori controllano la temperatura del circuito del freddo ed in particolare quella dell’evaporatore per ottimizzare il funzionamento dell’impianto.
Un sensore d’umidità interna informa la centralina circa il tasso d’umidità presente nell’abitacolo; con esso la centralina aziona anticipatamente lo sbrinatore del parabrezza al raggiungimento di un determinato valore di umidità (funzione antiappannamento). Un altro sensore determina l’angolo di irraggiamento solare sull’abitacolo, per distribuire in maniera ottimale l’aria fredda all’interno dell’abitacolo.
Vi abbiamo mostrato come sfruttando alcuni principi base della fisica ed impiegando fluidi di particolari caratteristiche sia possibile garantire condizioni ottimali di temperatura e umidità all’interno dell’abitacolo. Ora conoscete il funzionamento di questo dispositivo che seppur scontato, cela grande ingegno.
