Il riscaldamento, la ventilazione e l’aria condizionata (HVAC) è la tecnologia per il comfort ambientale interno e automobilistico. HVAC facilita nella gestione del clima piacevole all’interno della cabina controllando il grado di hotness/coolness.
Ci sono stati momenti in cui avere un condizionatore d’aria in una macchina era considerata una delle grandi caratteristiche, ma oggi i condizionatori d’aria sono diventati di serie anche nelle automobili entry-level. Il desiderio di ancora più comfort e lusso ha portato allo sviluppo del sistema di climatizzazione all’interno di un’automobile. Lo scopo principale del controllo automatico del clima è quello di gestire la temperatura di una determinata area per il comfort dei passeggeri a bordo.
HVAC è stato introdotto nelle automobili nei primi anni 1960, ed è disponibile nella maggior parte dei veicoli di fascia alta oggi. È un sistema complesso costituito da interruttori meccanici/elettronici o manopole nel frontend. Il backend del sistema comprende uno o più motori di soffiatura, attuatori (per il controllo della circolazione dell’aria fresca, il controllo del flusso d’aria e il controllo della temperatura) e unità di refrigerazione accoppiata con molti condotti attraverso i quali l’aria viene trasferita alla cabina.
Il principio alla base del funzionamento dell’unità HVAC è la conduzione e la convezione. Il calore viene trasferito da una regione a bassa temperatura a una regione ad alta temperatura nel veicolo, a causa della differenza di pressione. Questo processo di trasferimento di calore è chiamato refrigerazione . La figura 1 mostra lo schema del ciclo del processo di refrigerazione completo.
Un sistema di aria condizionata è composto da cinque componenti principali:
- Evaporatore
- Compressore
- Condensatore
- Ricevitore/Essiccatore
- dispositivo di Espansione
I cinque principali componenti sono divisi in due pressione regioni: ad alta pressione è il condensatore e il ricevitore/essiccatore di unità, e il lato bassa pressione l’aria condizionata evaporatore. Il punto di divisione tra alta e bassa pressione attraversa il compressore e la valvola di espansione.
La sezione seguente illustra in dettaglio ogni componente del sistema HVAC (vedere Figura 2).
Evaporatore
Un evaporatore è un dispositivo di scambio termico nel ciclo di refrigerazione. Il refrigerante liquido, che esce dal valore di espansione ed entra nell’evaporatore, è a temperatura più bassa e pressione più bassa.
Passando attraverso le bobine dell’evaporatore il refrigerante assorbe il calore dall’aria che viene soffiata attraverso le bobine e viene convertito in vapore a bassa temperatura e bassa pressione. Il refrigerante liquido viene fatto scorrere dal basso verso l’alto delle bobine dell’evaporatore per garantire che il refrigerante liquido bolle prima che lasci le bobine dell’evaporatore.
Le attività eseguite dall’evaporatore possono essere riassunte come segue:
- Assorbimento del calore
- Ebollizione di tutto il refrigerante ai vapori
L’aria soffiata dal ventilatore a sua volta diventa più fredda, trasferendo il calore, e viene fatta passare nella cabina attraverso le prese d’aria.
Poiché l’evaporatore del condizionamento d’aria fornisce il raffreddamento assorbendo il calore dal medium circostante, potrebbe servire a duplice scopo una volta disposto molto vicino al cruscotto del veicolo. Assorbe il calore dall’aria che lo attraversa e assorbe anche il calore dall’interno del veicolo per mantenere la temperatura richiesta.
Compressore
Il compressore dell’aria condizionata è noto come il cuore delle unità centrali di condizionamento dell’aria. Il compressore assorbe il refrigerante vapore dalla linea di aspirazione e comprime i vapori ad alto vapore surriscaldato. La temperatura del vapore è normalmente due volte e mezzo superiore alla temperatura dell’aria esterna.
Poiché il calore scorre sempre da caldo a freddo, il refrigerante deve essere molto più caldo dell’aria esterna per poter spostare il calore fuori dal sistema. Poiché il refrigerante scorre attraverso il compressore, rimuove anche il calore di compressione, il calore dell’avvolgimento del motore, l’attrito meccanico e l’altro calore assorbito nella linea di aspirazione. Un altro compito chiave del compressore del condizionatore d’aria è quello di generare il flusso di refrigerante nel sistema.
Le attività eseguite dal compressore possono essere riassunte come segue:
- Surriscaldare
- Rimuovere il calore latente o (condensare)
- Rimuovere il calore più sensibile o (sottoraffreddato)
- Generare il flusso di refrigerante
Condensatore
Il vapore caldo ad alta pressione fa la sua prossima fermata alla bobina di condensazione. Il condensatore è proprio come l’evaporatore: è uno scambiatore di calore. All’interno della bobina di condensazione il refrigerante scorre dall’alto verso il basso della bobina.
Poiché il refrigerante è a temperatura molto più alta della temperatura ambiente, si raffredda mentre passa attraverso la bobina. Con il tempo il refrigerante super calore raggiunge il terzo inferiore della bobina, si raffredda abbastanza per cambiare di nuovo in un liquido. Questo processo è noto come sub-raffreddamento.
Quando il refrigerante si condensa in forma liquida rilasciando il calore, la temperatura esterna del tubo di rame diventa molto alta e con l’aiuto del ventilatore / ventola del radiatore il calore viene espulso dal sistema. Questa aria riscaldata in alcuni veicoli diventa la fonte di aria calda in condizioni climatiche più fresche.
Il posizionamento del condensatore è anche importante per una migliore efficienza, in quanto è molto caldo, quindi la massima superficie deve essere esposta per garantire il raffreddamento ad una velocità più veloce.
Essiccatore/Ricevitore
Essiccatore / Ricevitori si trovano nella sezione ad alta pressione del sistema, di solito nell’impianto idraulico tra l’uscita del condensatore e l’ingresso della valvola di espansione, anche se alcuni possono essere collegati direttamente al condensatore.
L’essiccatore/ricevitore serve tre funzioni molto importanti:
- Fungono da contenitori di stoccaggio per refrigerante extra durante i periodi di bassa richiesta di raffreddamento. Questa è la funzione “ricevitore”del ricevitore / essiccatore.
- Contengono un filtro che può intrappolare i contaminanti all’interno del sistema A/C.
- L’essiccatore / Ricevitore contiene un materiale chiamato essiccante. Viene utilizzato per assorbire l’umidità (acqua) che può avere ottenuto all’interno del sistema A/C durante la fabbricazione, assemblaggio o servizio. Questa è la funzione “essiccatore”dell’essiccatore / ricevitore.
Dispositivo di espansione
Il dispositivo di espansione è necessario per generare la differenza di pressione per il refrigerante liquido a bollire in gas. Il dispositivo di espansione crea una caduta di pressione limitando il flusso di refrigerante intorno al sistema.
Rallentare il flusso di refrigerante fa sì che il compressore evacui parzialmente un lato del sistema. Questo vuoto a bassa pressione è chiamato “lato aspirazione” o” lato basso ” del sistema.
Climatizzatore automatico
Il climatizzatore automatico è la capacità di monitorare e controllare la temperatura di uno spazio specificato senza intervento manuale. I passeggeri del veicolo specificano la temperatura e l’umidità della cabina richieste. Questi valori sono presi come input dal sistema di controllo del clima e controlla elettronicamente la temperatura e l’umidità e li mantiene ai valori specificati dall’utente. Ciò elimina lo sforzo umano per regolare la temperatura della cabina accendendo / spegnendo il CA o facendo scorrere il controllo più caldo o più fresco.
La meccanica del climatizzatore automatizzato richiede sensori di temperatura e umidità da posizionare in cabina. Questi sensori leggono continuamente i valori di temperatura e umidità dell’area e la alimentano al microcontrollore (MCU). Queste letture vengono quindi confrontate dall’MCU con l’impostazione definita dagli occupanti e il riscaldamento/raffreddamento viene regolato in modo appropriato (vedi Figura 3).
C’è stato un tempo in cui tutti a bordo di un veicolo dovevano concordare una singola impostazione della temperatura – alcuni sentivano che si stava congelando mentre altri erano rimasti sudati. I progressi nel controllo automatico del clima nelle automobili si sono evoluti nel controllo del clima a zone. In questo tipo di implementazione, ogni occupante può regolare la temperatura dell’area salotto in cui è seduto.
Ogni area all’interno delle zone definite ha un sensore di temperatura separato che legge la temperatura corrente dell’area specificata. Ogni dato del sensore di temperatura viene confrontato con l’impostazione della temperatura definita per la zona particolare e viene avviata l’azione di raffreddamento o riscaldamento appropriata.
Un sistema di climatizzazione automatico include anche un computer che regola l’intero sistema di aria all’interno del vano. Ciò si ottiene regolando la velocità della ventola, l’impegno del compressore del climatizzatore e la temperatura generale dell’aria da erogare nel vano. In genere, questi processi sono integrati nel sistema informatico generale all’interno delle automobili moderne.
Ogni produttore ha il proprio metodo distinto per fornire il clima perfetto per i singoli passeggeri; tuttavia, tutti si basano su alcuni componenti simili, come controlli aggiuntivi nell’unità di controllo HVAC del conducente, un’unità di controllo HVAC aggiuntiva nell’area di seduta posteriore, sensori di temperatura individuali per ogni zona, un sacco di canalizzazioni nascoste extra per trasportare l’aria dove è necessario e prese d’aria extra – un sacco di prese d’aria extra. Ad esempio, la Lexus LX570 ne ha 28.
Circa gli autori
Nitin Gupta è un Sr. Application Engineer con esperienza nel campo dello sviluppo di software embedded per digital multimedia – sia consumer e automotive.