En aeronáutica , un sistema de control ambiental ( ECS ) de una aeronave es un componente esencial que proporciona suministro de aire, control térmico y presurización de la cabina para la tripulación y los pasajeros. Otras funciones incluyen la refrigeración de la aviónica , la detección de humo y la extinción de incendios .
Los sistemas que se describen a continuación son específicos de los aviones de pasajeros Boeing de producción actual, aunque los detalles son esencialmente idénticos para los aviones de pasajeros de Airbus y otras compañías. Una excepción fue el Concorde , que tenía un sistema de suministro de aire adicional instalado debido a las mayores altitudes a las que volaba y también a la presión ligeramente superior que empleaba en la cabina. [1]
En los aviones de pasajeros , el aire se suministra al ECS mediante una purga de aire desde una etapa de compresor de cada motor de turbina de gas , antes de la cámara de combustión . La temperatura y la presión de este aire purgado varían según la etapa de compresor que se utilice y el ajuste de potencia del motor. Una válvula de cierre reguladora de presión del colector (MPRSOV) restringe el flujo según sea necesario para mantener la presión deseada para los sistemas posteriores.
Se necesita una cierta presión mínima de suministro para impulsar el aire a través del sistema, pero se desea utilizar una presión de suministro lo más baja posible, porque la energía que utiliza el motor para comprimir el aire purgado no está disponible para la propulsión y el consumo de combustible se ve afectado. Por esta razón, el aire se toma comúnmente de uno de los dos (o en algunos casos, como el Boeing 777 , tres) puertos de purga en diferentes ubicaciones de la etapa del compresor. Cuando el motor está a baja presión (bajo empuje o gran altitud), el aire se toma del puerto de purga de mayor presión. A medida que aumenta la presión (más empuje o menor altitud) y alcanza un punto de cruce predeterminado, la válvula de cierre de alta presión (HPSOV) se cierra y se selecciona aire de un puerto de menor presión para minimizar la pérdida de rendimiento del combustible. Lo inverso sucede a medida que disminuye la presión del motor.
Para alcanzar la temperatura deseada, el aire purgado pasa a través de un intercambiador de calor llamado preenfriador . El aire purgado del ventilador del motor se impulsa a través del preenfriador, ubicado en el puntal del motor , y absorbe el exceso de calor del aire purgado de servicio. Una válvula moduladora de aire del ventilador (FAMV) varía el flujo de aire de enfriamiento para controlar la temperatura final del aire purgado de servicio.
Cabe destacar que el Boeing 787 no utiliza aire de purga para presurizar la cabina, sino que toma aire de entradas especiales, ubicadas delante de las alas. [2] [3]
El componente principal para el funcionamiento de la unidad de aire frío (CAU) es el dispositivo de enfriamiento Air Cycle Machine (ACM). Algunas aeronaves, incluidas las primeras Boeing 707 , utilizaban refrigeración por compresión de vapor como la que se utiliza en los acondicionadores de aire domésticos .
Un ACM no utiliza freón : el aire en sí es el refrigerante . El ACM se prefiere a los dispositivos de ciclo de vapor debido a su menor peso y a los requisitos de mantenimiento.
La mayoría de los aviones comerciales están equipados con PACKs Significado de la abreviatura ver aquí . La ubicación de los PACK(s) de aire acondicionado (AC) depende del diseño de la aeronave. En algunos diseños, se instalan en el carenado del ala al cuerpo entre las dos alas debajo del fuselaje . En otras aeronaves ( Douglas Aircraft DC-9 Series ) los PACKs de AC están ubicados en la cola. Los PACKs de la aeronave McDonnell Douglas DC-10 / MD-11 y Lockheed L-1011 están ubicados en la parte delantera de la aeronave debajo de la cabina de vuelo . Casi todos los aviones comerciales tienen dos PACKs, aunque aeronaves más grandes como el Boeing 747 , Lockheed L-1011 y McDonnell-Douglas DC-10/ MD-11 tienen tres.
La cantidad de aire de purga que fluye hacia el paquete de aire acondicionado está regulada por la válvula de control de flujo (FCV). Se instala una FCV para cada PACK. Una válvula de aislamiento normalmente cerrada evita que el aire del sistema de purga izquierdo llegue al PACK derecho (y viceversa ), aunque esta válvula puede abrirse en caso de pérdida de un sistema de purga.
Aguas abajo de la FCV se encuentra la unidad de aire frío (CAU), también conocida como unidad de refrigeración. Hay muchos tipos diferentes de CAU; sin embargo, todos utilizan fundamentos típicos. El aire purgado ingresa al intercambiador de calor de aire a presión primario, donde se enfría mediante aire a presión, expansión o una combinación de ambos. Luego, el aire frío ingresa al compresor, donde se vuelve a presurizar, lo que recalienta el aire. Un paso a través del intercambiador de calor de aire a presión secundario enfría el aire mientras mantiene la alta presión. Luego, el aire pasa a través de una turbina que lo expande para reducir aún más el calor. De funcionamiento similar al de una unidad de turbocompresor, el compresor y la turbina están en un solo eje. La energía extraída del aire que pasa a través de la turbina se utiliza para impulsar el compresor. Luego, el flujo de aire se dirige al recalentador antes de pasar al condensador para estar listo para la extracción de agua mediante un extractor de agua. [4]
El aire pasa entonces por un separador de agua, donde se lo obliga a moverse en espiral a lo largo de su longitud y las fuerzas centrífugas hacen que la humedad pase a través de un tamiz hacia las paredes exteriores, donde se canaliza hacia un desagüe y se envía al mar. Luego, el aire normalmente pasa por un separador de agua o por una manga. La manga retiene la suciedad y el aceite del aire purgado del motor para mantener el aire de la cabina más limpio. Este proceso de eliminación de agua evita que se forme hielo y obstruya el sistema, y evita que la cabina y el habitáculo se empañen durante las operaciones en tierra y a baja altitud.
En el caso de una CAU de arranque bajo cero, la humedad se extrae antes de que llegue a la turbina para poder alcanzar temperaturas bajo cero.
La temperatura del aire de salida del PACK se controla ajustando el flujo a través del sistema de aire a presión (abajo) y modulando una válvula de control de temperatura (TCV) que desvía una parte del aire de purga caliente alrededor del ACM y lo mezcla con el aire frío aguas abajo de la turbina del ACM.
La entrada de aire ram es una pequeña entrada, generalmente ubicada en el carenado que une el ala con el fuselaje. Casi todos los aviones comerciales utilizan una puerta moduladora en la entrada de aire ram para controlar la cantidad de flujo de aire de refrigeración a través de los intercambiadores de calor de aire ram primario y secundario.
Para aumentar la recuperación del aire dinamométrico, casi todos los aviones de pasajeros utilizan álabes moduladores en el escape de aire dinamométrico. Un ventilador de aire dinamométrico dentro del sistema de aire dinamométrico proporciona un flujo de aire dinamométrico a través de los intercambiadores de calor cuando el avión está en tierra. Casi todos los aviones de ala fija modernos utilizan un ventilador en un eje común con el ACM, impulsado por la turbina del ACM.
El aire de escape del AC PACK se conduce al fuselaje presurizado, donde se mezcla con aire filtrado de los ventiladores de recirculación y se introduce en el colector de mezcla. En casi todos los aviones de pasajeros modernos, el flujo de aire se compone aproximadamente de un 50 % de aire exterior y un 50 % de aire filtrado.
Los aviones modernos utilizan filtros HEPA de alta eficiencia que atrapan partículas y que atrapan más del 99% de todas las bacterias y virus agrupados .
El aire del colector de mezcla se dirige a las boquillas de distribución superiores [5] en las distintas zonas de la aeronave. La temperatura en cada zona se puede ajustar añadiendo pequeñas cantidades de aire de compensación, que es aire de baja presión y alta temperatura extraído del AC PACK antes de la TCV. El aire también se suministra a las salidas de aire individuales. [a] Se puede girar un control giratorio en la salida para ajustar la ventilación entre ninguna salida de aire y una brisa bastante sustancial.
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Los gaspers [a] suelen recibir el aire de los AC PACKS a bordo del avión, que a su vez reciben aire comprimido y limpio de las etapas de compresión de los motores a reacción del avión o, cuando están en tierra, de la unidad de potencia auxiliar (APU) o de una fuente terrestre. En la cabina del piloto hay un control maestro para los gaspers; a menudo, los gaspers se apagan temporalmente durante ciertas fases del vuelo (por ejemplo, durante el despegue y el ascenso) cuando se debe minimizar la carga de los motores debido a las demandas de aire purgado .
El flujo de aire que entra al fuselaje es aproximadamente constante y la presión se mantiene variando la apertura de la válvula de salida de aire (VFA). La mayoría de los aviones de pasajeros modernos tienen una sola VFA ubicada cerca del extremo inferior trasero del fuselaje, aunque algunos aviones más grandes, como el Boeing 747 y el 777, tienen dos.
En caso de que la válvula OFV falle al cerrarse, se proporcionan al menos dos válvulas de alivio de presión positiva (PPRV) y al menos una válvula de alivio de presión negativa (NPRV) para proteger el fuselaje contra sobrepresurización y subpresurización.
La presión de la cabina de un avión suele estar presurizada a una altitud de cabina de 8000 pies o menos. Eso significa que la presión es de 10,9 libras por pulgada cuadrada (75 kPa), que es la presión ambiental a 8000 pies (2400 m). Tenga en cuenta que una altitud de cabina más baja implica una presión más alta. La presión de la cabina se controla mediante un programa de presión de cabina, que asocia cada altitud de la aeronave con una altitud de cabina. Los nuevos aviones de pasajeros, como el Airbus A350 y el Boeing 787, tendrán altitudes máximas de cabina más bajas, lo que ayuda a reducir la fatiga de los pasajeros durante los vuelos.
La atmósfera a altitudes de crucero típicas de un avión de pasajeros es generalmente muy seca y fría; el aire exterior bombeado a la cabina en un vuelo largo tiene el potencial de causar condensación , lo que a su vez podría causar corrosión o fallas eléctricas, y por lo tanto se elimina. En consecuencia, cuando se encuentra aire húmedo a altitudes más bajas y se aspira, el ECS lo seca a través del ciclo de calentamiento y enfriamiento y el separador de agua mencionado anteriormente, de modo que incluso con una humedad relativa externa alta, dentro de la cabina generalmente no será mucho más alta que el 10% de humedad relativa.
Aunque la baja humedad en la cabina tiene beneficios para la salud al prevenir el crecimiento de hongos y bacterias , la baja humedad provoca sequedad de la piel, los ojos y las membranas mucosas y contribuye a la deshidratación , lo que provoca fatiga, malestar y problemas de salud. En un estudio, la mayoría de los auxiliares de vuelo informaron malestar y problemas de salud debido a la baja humedad. [6] En una declaración al Congreso de los EE. UU. en 2003, un miembro del Comité de Calidad del Aire en las Cabinas de Pasajeros de Aeronaves Comerciales dijo que "la baja humedad relativa puede causar cierta incomodidad temporal (por ejemplo, sequedad de ojos, fosas nasales y piel), pero no se han establecido otros posibles efectos a corto o largo plazo". [7]
Se puede añadir un sistema de control de humedad de cabina al ECS de algunas aeronaves para mantener la humedad relativa en niveles extremadamente bajos, en consonancia con la necesidad de evitar la condensación. [8] Además, el Boeing 787 y el Airbus A350, al utilizar compuestos más resistentes a la corrosión en su construcción, pueden funcionar con una humedad relativa de cabina del 16% en vuelos largos.
El aire purgado proviene de los motores, pero se purga desde el motor antes de la cámara de combustión. El aire no puede fluir en sentido inverso a través del motor, excepto durante una parada del compresor (esencialmente, una explosión del motor a reacción), por lo que el aire purgado debe estar libre de contaminantes de la combustión provenientes del funcionamiento normal de los motores del avión.
Sin embargo, en ocasiones los sellos de carbón pueden dejar escapar aceite (que contiene sustancias químicas potencialmente peligrosas) en el aire purgado, en lo que se conoce en la industria como un evento de humo . [9] Esto generalmente se soluciona rápidamente ya que los sellos de aceite defectuosos reducirán la vida útil del motor.
La contaminación por aceite de esta y otras fuentes en el compartimiento del motor ha generado preocupaciones de salud por parte de algunos grupos de defensa y ha desencadenado investigaciones por parte de varias instituciones académicas y agencias reguladoras. Sin embargo, ninguna investigación creíble ha arrojado evidencia de la existencia de una condición médica causada por eventos de humo. [10] [11] [12]