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. Las funciones adicionales incluyen el enfriamiento 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 instalado un sistema de suministro de aire suplementario debido a las mayores altitudes a las que volaba, y también a la presión de cabina ligeramente más alta que empleaba. [1]
En los aviones de pasajeros , el aire se suministra al ECS purgándolo desde una etapa del compresor de cada motor de turbina de gas , aguas arriba de la cámara de combustión . La temperatura y la presión de este aire purgado varían según la etapa del compresor que se utilice y la configuración 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 aguas abajo.
Se necesita una cierta presión de suministro mínima 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 comúnmente se extrae de uno de dos (o en algunos casos, como en 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 extrae 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 contrario sucede cuando la presión del motor disminuye.
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 pasa 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 de purga de servicio.
En particular, el Boeing 787 no utiliza aire purgado para presurizar la cabina. En cambio, el avión extrae aire de entradas dedicadas, 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 de la máquina de ciclo de aire (ACM). Algunos aviones, incluidos los primeros aviones Boeing 707 , utilizaban refrigeración por compresión de vapor como la que se utiliza en los aires acondicionados domésticos .
Un ACM no utiliza freón : el aire mismo es el refrigerante . Se prefiere el ACM a los dispositivos de ciclo de vapor debido a su peso reducido y sus requisitos de mantenimiento.
La mayoría de los aviones están equipados con PACK. 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 ala-cuerpo entre las dos alas debajo del fuselaje . En otros aviones ( Douglas Aircraft DC-9 Series ), los AC PACK están ubicados en la cola. Los PACK de los aviones McDonnell Douglas DC-10 / MD-11 y Lockheed L-1011 están ubicados en la parte delantera del avión, debajo de la cabina de vuelo . Casi todos los aviones de pasajeros tienen dos PACK, aunque los aviones 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 un FCV para cada PAQUETE. 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 distintos de CAU; sin embargo, todos utilizan fundamentos típicos. El aire purgado ingresa al intercambiador de calor primario de aire ram, donde se enfría mediante aire ram, expansión o una combinación de ambos. Luego, el aire frío ingresa al compresor, donde se represuriza, lo que recalienta el aire. Un paso a través del intercambiador de calor secundario de aire ram enfría el aire mientras se 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 a una unidad de turbocompresor, el compresor y la turbina están en un solo eje. La energía extraída del aire que pasa por la turbina se utiliza para alimentar 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]
Luego, el aire se envía a través de un separador de agua, donde se fuerza al aire a formar espirales a lo largo de su longitud y las fuerzas centrífugas hacen que la humedad sea arrojada a través de un tamiz hacia las paredes exteriores, donde se canaliza hacia un desagüe y se envía por la borda. Luego, el aire normalmente pasará a través de un separador de agua coalescente o del calcetín. El calcetín 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 la cabina se empañen en operaciones en tierra y en altitudes bajas.
Para una CAU de arranque bajo cero, la humedad se extrae antes de que llegue a la turbina para que se puedan alcanzar temperaturas bajo cero.
La temperatura del aire de salida del PACK se controla ajustando el flujo a través del sistema de aire dinámico (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 frío. aire aguas abajo de la turbina ACM.
La entrada de aire ram es una pequeña toma, generalmente ubicada en el carenado del ala a la carrocería. Casi todos los aviones 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 ram, casi todos los aviones utilizan paletas moduladoras en el escape de aire ram. Un ventilador de aire dinámico dentro del sistema de aire dinámico proporciona un flujo de aire dinámico a través de los intercambiadores de calor cuando la aeronave está en tierra. Casi todos los aviones 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 hacia el fuselaje presurizado, donde se mezcla con el aire filtrado de los ventiladores de recirculación y se alimenta al colector de mezcla. En casi todos los aviones modernos, el flujo de aire es aproximadamente 50% aire exterior y 50% aire filtrado.
Los aviones modernos utilizan filtros HEPA de alta eficiencia que atrapan partículas , 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 aéreas [5] en las distintas zonas de la aeronave. La temperatura en cada zona se puede ajustar agregando pequeñas cantidades de aire de compensación, que es aire de baja presión y alta temperatura extraído del AC PACK aguas arriba del TCV. También se suministra aire a las rejillas de ventilación individuales. [a] Se puede girar un control giratorio en la ventilación para ajustar la ventilación entre ninguna salida de aire y una brisa bastante sustancial.
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Los gaspers [a] generalmente reciben su aire de los AC PACK a bordo de la aeronave, que a su vez reciben aire limpio y comprimido de las etapas del compresor de los motores a reacción de la aeronave o, cuando están en tierra, de la unidad de potencia auxiliar (APU) o una fuente terrestre. . Un control maestro para gaspers está ubicado en la cabina; Los gaspers a menudo se apagan temporalmente durante ciertas fases del vuelo (por ejemplo, durante el despegue y el ascenso) cuando se debe minimizar la carga en los motores debido a las demandas de aire purgado .
El flujo de aire hacia el fuselaje es aproximadamente constante y la presión se mantiene variando la apertura de la válvula de salida (OFV). La mayoría de los aviones de pasajeros modernos tienen un solo OFV ubicado 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 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 la sobrepresurización y la subpresurización.
La presión de la cabina de un avión comúnmente se presuriza 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 cabina se controla mediante un programa de presión de cabina, que asocia la altitud de cada avión con una altitud de cabina. Los nuevos aviones como el Airbus A350 y el Boeing 787 tendrán altitudes máximas de cabina más bajas, lo que ayudará a reducir la fatiga de los pasajeros durante los vuelos.
La atmósfera en las altitudes típicas de crucero de un avión de pasajeros es generalmente muy seca y fría; El aire exterior bombeado a la cabina durante un vuelo largo tiene el potencial de provocar condensación , que a su vez podría provocar corrosión o fallos eléctricos, por lo que se elimina. En consecuencia, cuando se encuentra y se aspira aire húmedo en altitudes más bajas, el ECS lo seca mediante el 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. superior al 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 asistentes de vuelo informaron malestar y problemas de salud debido a la baja humedad. [6] En una declaración ante el Congreso de los Estados Unidos en 2003, un miembro del Comité sobre la Calidad del Aire en las Cabinas de Pasajeros de Aviones Comerciales dijo que "la baja humedad relativa podría causar algunas molestias temporales (por ejemplo, sequedad de ojos, fosas nasales y piel), pero otras No se han establecido posibles efectos a corto o largo plazo". [7]
Se puede agregar un sistema de control de humedad de la cabina al ECS de algunas aeronaves para mantener la humedad relativa en niveles extremadamente bajos, de acuerdo 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 operar con una humedad relativa en cabina del 16% en vuelos largos.
El aire purgado proviene de los motores, pero se purga desde el motor aguas arriba de la cámara de combustión. El aire no puede fluir hacia atrás a través del motor excepto durante una parada del compresor (esencialmente un motor a reacción), por lo que el aire purgado debe estar libre de contaminantes de combustión provenientes del funcionamiento normal de los propios motores de la aeronave.
Sin embargo, en ocasiones los sellos de carbono pueden filtrar aceite (que contiene productos químicos potencialmente peligrosos) al aire purgado, en lo que se conoce en la industria como 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 petróleo de esta y otras fuentes dentro del 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 los gases. [10] [11] [12]