UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE INGENIERÍA
TERMODINÁMICA APLICADA PROFESOR: ING. AUGUSTO SÁNCHEZ CIFUENTES GRUPO: 01 SEMESTRE: 2013-2
SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO EN AVIONES
ELABORADO POR: ÁLVAREZ GARCÍA CARLA.
FECHA: LUNES 27 DE MAYO DE 2013.
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ÍNDÍCE
INTRODUCCIÓN.………………. 3 DESARROLLO…………………..4 AIRE ACONDICIONADO……….5
CICLO IDEAL PARA MOTORES …… 6 DESCRIPCIÓN DE FUNCIONES……9
AIRE ACONDICIONADO ACTUAL….11 CONCLUSIONES …………………….12 BIBLIOGRAFÍA………………………..12
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INTRODUCCIÓN
Para ayudar en la discusión de las alternativas tecnológicas actuales, es útil contar con una descripción básica de cómo funcionan los sistemas de aire acondicionado. El calor fluye desde las regiones calientes a las regiones frías. Para revertir este proceso en un sistema y mover el calor de una zona de baja temperatura a una zona de temperatura más elevada, se requiere de un trabajo realizado dentro del sistema (esta declaración es una forma de enunciar la segunda ley de la termodinámica). El aire acondicionado y los refrigeradores son esencialmente los mismos cuando nos referimos a su objetivo de diseño, ya que su uso se limita a utilizar trabajo que sea capaz de mover el calor de un espacio refrigerado. El rendimiento de estas máquinas, por lo general, se caracteriza por una cantidad conocida como el coeficiente de rendimiento (COP). En la presente investigación, trato específicamente el tema del ciclo de refrigeración del aire utilizado en aviones, de manera que éste se comporta como sistema de aire acondicionado, lo cual ha venido siendo empleado desde hace muchos años. En esta aplicación, el ciclo de aire tiene la ventaja de poseer menor peso respecto a las unidades de compresión de vapor y puede hacer uso de aire de alta presión existente desde el compresor del motor, como se muestra en la figura 1.
FIGURA 1. Ciclo básico de aire en aviones 3
Una unidad de ciclo de aire requiere su propio compresor. Aquí, el compresor y las eficiencias de expansión se convierten en factores importantes que rigen la competitividad de los sistemas de ciclo de aire relativos a los sistemas de compresión de vapor. Toda aeronave - ya sea en el aire, en la pista o en el suelo - necesita aire acondicionado y una potencia de 400 Hz a suministrar. En este trabajo se abordan sólo las cuestiones de aire acondicionado. Naturalmente, el aire acondicionado de las aeronaves que se utiliza cuando están en movimiento es distinto al que se emplea cuando se encuentran estacionadas, sin embargo, los medios de suministro dependen de si la aeronave se mantiene en operación (durante el embarque, desembarque, limpieza; etc.) o está fuera de servicio (por ejemplo, cuando está estacionada por la noche de estancia). El último caso es de poco interés, ya que no se requiere aire acondicionado, a excepción de algunos casos en los que se emplea la calefacción, como por ejemplo, en países de clima del norte para evitar la congelación. Cuando está en funcionamiento, un avión tiene un montón de aire exterior para las personas a bordo (17 m³ / h por persona para el funcionamiento normal y 5 m³ / h por persona para una operación de emergencia). Sobre todo, es necesario enfriar el aire exterior. Sin que se suministre el aire a la cabina, la temperatura de ésta se elevaría hasta 50 ° C dentro de algunos 15 minutos (por lo que en el aire exterior, la temperatura es de menor importancia). Después de 5 minutos, la alta concentración de CO2 y la posible escasez de oxígeno, pueden provocar que el aire de la cabina se torne casi irrespirable. El método utilizado convencionalmente para suministrar aire acondicionado a las aeronaves estacionadas está dejando que el APU (unidad de gas auxiliar) continúe funcionando. APU, sin embargo, implica altos niveles de emisiones nocivas y olores de gas combustible (por ejemplo, 550 l / h de combustible son necesarios para B 747-400) y causa un nivel de ruido de unos 80 dB (A) en la plataforma del aeródromo, mientras que su eficiencia es entre 10% y 12%. Como es posible observar, todo lo anterior requiere de una serie de procesos termodinámicos que controlen la emisión de diversas sustancias que hagan funcionar, de la manera más óptima, este sistema de aire acondicionado específicamente en aviones.
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Desarrollo
Aire acondicionado INTRODUCCIÓN El aire acondicionado es la rama de la ingeniería que se ocupa del estudio de acondicionamiento del aire, es decir, del suministro y el mantenimiento de las condiciones atmosféricas internas deseables para el confort humano, independientemente de las condiciones externas. Este tema, en un sentido amplio, hay ofertas con el acondicionamiento de aire para uso industrial, procesamiento de alimentos, almacenamiento de alimentos y otros materiales. En otro sentido, el término puede referirse a cualquier forma de refrigeración, calefacción, ventilación o la desinfección que modifica la condición de aire. Un acondicionador de aire (que se refiere a menudo como de CA) es un aparato, sistema, o una máquina diseñada para estabilizar la temperatura y la humedad área con aire (utilizado para la refrigeración, así como la calefacción, según las propiedades del aire en un momento dado), típicamente usando una refrigeración, y, en ocasiones, ciclos mediante evaporación. El concepto de aire acondicionado es conocido por haber sido aplicado en la antigua Roma, en donde se hizo circular agua a través de los acueductos y alrededor de las paredes de ciertas casas para que se enfriaran. Técnicas similares existieron en la Persia medieval, las cuales implicaban el uso de cisternas y torres eólicas para elaborar construcciones frescas durante la temporada de calor. El aire acondicionado moderno surgió gracias a los avances en la química durante el siglo XIX, y el primer aire acondicionado de gran escala eléctrica fue inventado y utilizado en 1902 por Willis Havilland Carrier. Este aparato de aire acondicionado se ha convertido en uno de los elementos más importantes en la gama de electrodomésticos. Sin embargo, el aire acondicionado es un proceso costoso, por lo cual su diseño estructural, que consiste básicamente de un tubo y evaporador de láminas, se ha modelado mediante el software. El aire acondicionado, en sí, es un proceso que modifica las condiciones del aire; distribuye simultáneamente lo que se combina con el aire exterior y lo lleva al espacio acondicionado, y en los mismos controles de tiempo mantiene el espacio requerido. El objetivo de éste, es mantener la temperatura, humedad, movimiento de aire, la limpieza del aire, nivel de sonido y la presión, principalmente, dentro de límites predeterminados para la comodidad y salud de los ocupantes. 5
Ciclo ideal para motores de turbina a gas (Ciclo Brayton) En estos ciclos, específicamente, el fluido de trabajo es aire. Son los ciclos empleados para manejar el sistema de aire acondicionado en aviones, por ejemplo. Su propósito es producir trabajo a través de una turbina y se encuentra compuesto por cuatro procesos.
Proceso 1-2 Compresión isentrópica (en un compresor). Aire fresco en condiciones
ambientales se introduce dentro del compresor donde su temperatura y presión se eleva.
Proceso 2-3 A d i c i ó n d e c a l o r a p r e s i ó n c o n s t a n t e . P a r t e d e l a i r e s o m e t i d o
a alta presión se mezcla con el combustible dentro de la cámara de combustión, lo cual aumenta la temperatura.
Proceso 3-4 Expansión isentrópica (en una turbina). Los gases a alta
temperatura entran a la turbina donde se expanden hasta la presión atmosférica, produciéndose la potencia.
Proceso 4-1 R e c h a z o d e c a l o r a p r e s i ó n c o n s t a n t e . Los gase s de escape
que salen de la turbina se expulsan hacia el ambiente (no se recirculan), por lo que el ciclo se clasifica como un ciclo abierto.
Descripción del sistema El sistema está controlado por una unidad de control electrónico (ECU), la cual manipulará el aire acondicionado y el calor de forma automática o manualmente. También se incorpora en la ECU una una función de seguridad que apaga el A/C en el caso de una falla del alternador o respecto a la carga eléctrica. 6
El sistema completa una serie de pruebas de diagnóstico cada vez que éste se enciende. Hay también una característica de diagnóstico de avance que está diseñada principalmente para los técnicos. Los sistemas de refrigeración que se emplean en la aviación son el de ciclo de aire y el de ciclo de vapor.
El primero se basa en el principio de eliminación de calor por transformación de la energía calorífica en trabajo mecánico, éste es empleado en aviones comerciales, transportes militares y aviones de combate y funciona con el aire que se extrae del compresor del turborreactor, dicho aire caliente y a presión, se emplea para calefacción, refrigeración e incluso para la presurización de la cabina. El segundo sistema por ciclo de vapor es más limitado ya que proporciona únicamente la refrigeración del aire; éste funciona mediante la evaporación de un líquido refrigerante en una unidad muy similar a la que es utilizada ampliamente en la industria automotriz; dicho sistema se usa generalmente en vuelos realizados a baja altitud y corta distancia. Cabe resaltar que en los aviones turbohélices se pueden emplear ambos tipos.
Ahora, con respecto a la unidad de aire acondicionado, el avión, según su tamaño, dispone de una o más unidades independientes. La figura 1 muestra el esquema de dicha unidad, la cual consta de: a) un conducto de aire de impacto, b) un intercambiador de calor, c) el conjunto de turbina de refrigeración. a) El condu cto d e aire de impacto.- es una tubería que está conectada a una compuerta situada en la superficie exterior del avión, de manera que en el vuelo el aire frío y con presión dinámica suficiente entra por la compuerta y sigue el curso del conducto. Por esta razón esta corriente se denomina “aire de impacto”. El
conducto (en azul en la figura) está abierto por sus dos extremos, de manera que continuamente entra y sale del aire captado del exterior del avión.
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b) Intercambiador de calor.- en el interior de este conducto está el intercambiador de calor; por él cual circula el aire caliente y a presión extraído del compresor del turborreactor. El intercambiador de calor es simplemente un radiador que está bañado por la corriente de aire frío de impacto.
c ) Co n ju n to tu rb in a d e refrig er ac ión .- Consta de un ventilador de aspiración de aire de impacto y la rueda de turbina. El ventilador y la rueda de la turbina están unidos por un eje, de manera que giran a la misma velocidad. En realidad el rotor de la turbina mueve el ventilador excepto cuando el avión está en tierra, donde no hay corriente de aire de impacto. En este caso el ventilador se mueve por un motor eléctrico que mantiene la circulación del aire. Su funcionamiento se basa en extraer el aire del motor a través de una o más válvulas que hay en el compresor del turborreactor y es conducido al interior del intercambiador de calor. Este flujo de aire extraído del motor es el destinado a introducirse finalmente en la cabina del avión que no es el aire de impacto como podría pensarse. Por su parte, el ventilador de la unidad aspira aire exterior. El aire de impacto es expulsado a la atmósfera tras pasar por el intercambiador de calor y enfriar el aire caliente expulsado por el motor. El aire caliente que procede del compresor sigue su curso y pasa a la turbina. La rueda de turbina es de un diámetro pequeño y gira a 90,000 r.p.m; la cual está colocada en el circuito para que el aire expulsado del motor experimente al pasar por ella una expansión muy fuerte. Con la expansión de aire ocurren dos cosas: su temperatura disminuye (ley de los gases perfectos) hasta el punto en que se forma normalmente hielo en la salida del conducto si hay suficiente humedad en el aire y en segundo lugar, la expansión produce el movimiento de giro de la rueda y ésta impulsa el ventilador situado en el mismo eje. En el vuelo tenemos una máquina con movimiento autónomo. Se dispone así de una fuente de aire muy frío para la cabina. Es bien entendido que si este flujo de aire se introduce directamente en cabina el frío sería extremo congelando a los pasajeros, por lo que es claro que debe modularse su temperatura de la siguiente manera. La función moduladora se hace con la válvula de derivación de la turbina de refrigeración VDT. Dicha válvula está situada en un conducto paralelo al intercambiador de calor. Si la válvula VDT está muy abierta el flujo de aire expulsado por el motor sigue principalmente esta vía, ya que es más fácil para el aire, que introducirse en el camino interno del intercambiador de calor el cual está hecho de tubos estrechos. El trayecto por la VDT elude el paso del aire por el intercambiador de calor y la turbina de expansión, de manera que es un flujo de aire caliente, más o menos a la temperatura del aire en el compresor del motor. Por el contrario, si la válvula VDT está muy cerrada casi todo el aire es forzado a pasar por el trayecto del intercambiador de calor, es decir, por el trayecto donde el aire se somete a un fuerte enfriamiento. 8
La temperatura del aire de la cabina se regula por la posición que tiene la válvula VDT. Si la válvula está muy abierta se envía calor a la cabina; si está muy cerrada, el aire que sale de la unidad es frío porque ha mezclado poco aire caliente proveniente del conducto de la VDT. Sería este el caso típico de funcionamiento de la unidad en un vuelo crucero a gran altitud, donde el avión experimenta fuertes pérdidas de calor y la cabina necesita calefacción. En vuelo a baja altitud, normalmente es necesario introducir en la cabina gran cantidad de aire frío, de manera que la VDT tienda a situarse en posiciones más cerradas. El piloto cuenta con un mando para seleccionar la posición de la válvula, pero lo normal es que el sistema funcione en modo automático regulando la temperatura de la cabina a un valor establecido previamente.
Descripción de funciones
Compresor VCS
El desplazamiento del compresor es 147cm3. Los ciclos del compresor para regular temperatura de la cabina y evitar el serpentín del evaporador se congele. El compresor VCS se acopla mediante un embrague magnético 12V/28VDC impulsado por un V-Belt de la parte posterior del motor. El embrague magnético se desconecta durante el funcionamiento del aire acondicionado en cualquier momento y la presión del sistema refrigerante cae por debajo de 29 psi (2 bar).
Asamblea condensador / Fan
El condensador recibe de alta temperatura del vapor, de alta presión del compresor. El ensamblado se encuentra en el plano de cola y extrae aire desde el compartimiento de éste y los respiraderos del aire de escape se encuentran por la borda a través de un conducto ubicado de lado en la aeronave. El vapor refrigerante entra en la conexión superior del condensador. A medida que el vapor fluye a través del condensador, se libera calor al aire del ambiente más frío que fluye sobre el condensador. Renunciar a su calor hace que el vapor cambie a un estado líquido. Bajo carga promedio, dos tercios del condensador contiene vapor de refrigerante y el otro un tercio contiene refrigerante líquido.
Válvula de expansión
La válvula de expansión se encuentra en la entrada al evaporador. Es un punto de conexión entre el lado de alta presión y de baja presión del sistema de refrigeración. La válvula de expansión determina la velocidad de flujo del refrigerante y proporciona una caída de presión. Reduce la presión sobre el refrigerante líquido antes de que entre en el evaporador.
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Asamblea del evaporador
El evaporador elimina el calor y la humedad del aire que entra en la cabina del avión. La unidad se encuentra en el plano de cola justo detrás del mamparo de la cabina de popa. Este montaje utiliza una placa y de aletas del serpentín del evaporador. El tubo está hidráulicamente expandido a las aletas para garantizar una buena conductividad térmica.
Soplador del evaporador
El evaporador en ventilador, por su parte, aspira aire fresco y seco desde el conjunto del evaporador y los conductos en el sistema de ventilación.
Sensor de temperatura en la cabina
La temperatura de la cabina se determina mediante la comparación de la temperatura en el interior de la aeronave con el ajuste de la temperatura deseada en el habitáculo. La temperatura se regula mediante un ciclo del compresor y la regulación de la velocidad del ventilador del evaporador durante los requisitos de refrigeración y mediante la regulación de la temperatura del calentador de la puerta durante las necesidades de calefacción. El conjunto sensor de temperatura contiene un termistor calibrado y ventilador usado para extraer aire de la cabina sobre el termistor. El conjunto del sensor se encuentra en el interior de la consola central. Si el sensor falla, el control manual de la temperatura será necesario para el piloto en el panel de interruptores.
Sensor de temperatura exterior del aire
El sensor de temperatura del aire exterior se encuentra en el compartimiento del motor y está expuesto al flujo de aire en el compartimento. Este sensor de temperatura mide continuamente la temperatura del aire que pasa por el exterior de la aeronave.
Eliminador de niebla sobre la válvula
Durante el funcionamiento del calentador, el aire caliente se distribuye normalmente a la superficie de la aeronave. Por lo tanto, debe expandirse el aire a los puntos de desempañado. Un mínimo de aproximadamente 10% del aire distribuido por el calentador, se distribuye a los conductos de desempañar en cualquier momento que el calentador esté en funcionamiento. Este actuador se encuentra detrás del panel de instrumentos.
Unidad de Control Electrónico (ECU)
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El ECU se encuentra en la consola central, debajo del panel de instrumentos. Regula la velocidad del ventilador del evaporador y el calentador. Adicionalmente, provee salidas para las posiciones del actuador según sea necesario.
Distribución de Aire
Aire acondicionado
Cuando se requiere aire del aire acondicionado, el ventilador del evaporador se acciona y el aire se distribuye a través del conducto en el techo de la cabina y en el panel trasero, detrás de la zona de equipaje. Calor
Cuando se requiere calor cabina, el compresor y el ventilador se apagan y el calentador existente en la cabina delantera se enciende. El aire caliente se distribuye aproximadamente el 90% de los conductos del piso en la cabina, con el aire restante se desvía hacia los conductos de desempañado.
Aire acondicionado en aviones actuales Los actuales aviones comerciales requieren unidades de aire acondicionado especiales. Mucho del equipo se hace de aluminio para ahorrar peso. Las unidades de refrigeración y de aire acondicionado para los aviones grandes se establecen generalmente en las alas. En un avión más pequeño, estas unidades pueden estar en el cuerpo de la aeronave. El aire proveniente de la unidad es distribuido a la cabina a través de los difusores y rejillas situadas en el techo. El sistema de aire acondicionado de la cabina en las aeronaves actuales se diseña para proporcionar un ambiente seguro y cómodo de la cabina en las altitudes de vuelo que pueden alcanzar arriba de 40,000 pies. Por una regulación de gobierno, la presión de la cabina no puede ser menos, en la altitud máxima de la travesía, que el equivalente de la presión de aire exterior a 8,000 pies de altura. El sistema de aire acondicionado además de controlar la temperatura y proporcionar confort a los pasajeros controla la presurización de la cabina, el flujo de aire y la filtración del mismo de la siguiente manera. El aire enfriado proveniente de la unidad de aire acondicionado fluye a un compartimiento donde se mezcla con una cantidad aproximadamente igual de aire altamente filtrado de la cabina de pasajeros.
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Conclusiones La termodinámica básica de ciclo de aire enfocada a sistemas de aire, muestra que un sistema de baja presión ofrece el mejor rendimiento. Ésto es aún más prometedor cuando uno considera la menor complejidad, menor costo y la eliminación del condensador. Hay varias características del sistema de aire acondicionado del avión que merecen énfasis especial:
La circulación de aire es continua. El aire está fluyendo siempre dentro y fuera de la cabina. La cabina tiene un alto intercambio del aire. Todo el aire en la cabina es substituido por la mezcla entrante del aire exterior y del aire filtrado durante intervalos de solamente dos a tres minutos, dependiendo del tamaño de la aeronave. Esto representa de 20 a 30 cambios del aire total de la cabina por hora. La mezcla exterior de aire llena la cabina constantemente. El aire exterior guarda los límites admisibles de bióxido de carbono y de otros contaminantes en conformidad con límites estándares y sustituye el oxígeno más rápido que lo que se consume. El relleno también asegura que la porción recirculada del aire no tenga un ciclo sin fin, ya que rápidamente se diluye y se sustituye por aire exterior nuevo.
Como podemos ver, el perfecto funcionamiento del sistema de aire acondicionado en los aviones es imprescindible para realizar un vuelo seguro a las altitudes que vuelan las actuales aeronaves. Para que esto ocurra, es de vital importancia conocer los ciclos y la termodinámica como tal, ya que sin ella, este tipo de avances tecnológicos no serían posibles.
Bibliografía
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