Aire Acondicionado del Avión - Air Conditioning Systems
Hay dos tipos de sistemas de aire acondicionado que se utilizan habitualmente en los aviones. El aire acondicionado de ciclo de aire se utiliza en la mayoría de los aviones con turbina. Utiliza el aire de purga del motor o el aire neumático de la APU durante el proceso de acondicionamiento.
Los sistemas de aire acondicionado de ciclo de vapor se utilizan a menudo en los aviones recíprocos. Este tipo de sistema es similar al que se encuentra en los hogares y los automóviles. Hay que tener en cuenta que algunos aviones con turbina también utilizan el aire acondicionado de ciclo de vapor.
Ciclo de Aire del Aire acondicionado
El aire acondicionado de ciclo de aire prepara el aire de purga del motor para presurizar la cabina del avión. La temperatura y la cantidad de aire deben ser controladas para mantener un ambiente confortable en la cabina a todas las altitudes y en tierra.
El sistema de ciclo de aire suele denominarse paquete o paquete de aire acondicionado. Suele estar situado en la mitad inferior del fuselaje o en la sección de cola de los aviones con turbina.
Funcionamiento del sistema
Incluso con las gélidas temperaturas que se experimentan a grandes altitudes, el aire de purga está demasiado caliente para ser utilizado en la cabina sin ser enfriado. Se introduce en el sistema de ciclo de aire y se dirige a través de un intercambiador de calor donde el aire de ariete enfría el aire de purga.
Este aire de purga enfriado se dirige a una máquina de ciclo de aire. Allí, se comprime antes de pasar por un intercambiador de calor secundario que vuelve a enfriar el aire con aire de ariete. A continuación, el aire purgado vuelve a la máquina de ciclo de aire, donde acciona una turbina de expansión y se enfría aún más.
A continuación, se elimina el agua y el aire se mezcla con el aire de purga desviado para el ajuste final de la temperatura. Se envía a la cabina a través del sistema de distribución de aire. Al examinar el funcionamiento de cada componente del proceso del ciclo de aire, se puede comprender mejor cómo se acondiciona el aire de purga para su uso en la cabina.
Sistema neumático
Suministro El sistema de aire acondicionado del ciclo de aire es suministrado con aire por el sistema neumático del avión. A su vez, el sistema neumático es alimentado por tomas de aire de purga en cada sección del compresor del motor o desde el suministro neumático del APU.
También se puede conectar una fuente de suministro de aire neumático externo mientras la aeronave está estacionada en tierra. En las operaciones normales de vuelo, un colector neumático es alimentado por el aire de purga del motor mediante el uso de válvulas, reguladores y conductos.
Los paquetes de aire acondicionado son alimentados por este colector, al igual que otros sistemas críticos del fuselaje, como el sistema antihielo y de presurización hidráulica.
Funcionamiento de los componentes
Válvula de paquete
La válvula de paquete es la válvula que regula el aire de purga del colector neumático en el sistema de aire acondicionado del ciclo de aire. Se controla con un interruptor desde el panel de aire acondicionado en la cabina. Muchas válvulas de paquete se controlan eléctricamente y se accionan neumáticamente.
También conocida como la válvula de cierre de suministro, la válvula de paquete se abre, se cierra y se modula para permitir que el sistema de aire acondicionado de ciclo de aire sea suministrado con un volumen diseñado de aire caliente y presurizado. Cuando un sobrecalentamiento u otra condición anormal requiere que el paquete de aire acondicionado se apague, se envía una señal a la válvula de paquete para que se cierre.
Bypass de aire de purga
Todas las aeronaves disponen de un medio para desviar parte del aire neumático suministrado al sistema de aire acondicionado de ciclo de aire alrededor del sistema. Este aire caliente desviado debe mezclarse con el aire frío producido por el sistema de ciclo de aire para que el aire suministrado a la cabina tenga una temperatura confortable. Controla simultáneamente el flujo de aire desviado y el aire a enfriar para cumplir con los requisitos del controlador de temperatura automático.
También se puede controlar manualmente con el selector de temperatura de la cabina en modo manual. Otros sistemas de ciclo de aire pueden referirse a la válvula que controla el aire desviado alrededor del sistema de refrigeración de ciclo de aire como válvula de control de temperatura, válvula reguladora de la presión del aire de ajuste o algo similar.
Intercambiador de calor primario
Generalmente, el aire caliente dedicado a pasar por el sistema de ciclo de aire pasa primero por un intercambiador de calor primario. Este actúa de forma similar al radiador de un automóvil. Un flujo controlado de aire de ariete es conducido sobre y a través del intercambiador, lo que reduce la temperatura del aire dentro del sistema.
Un ventilador hace pasar el aire por el conducto de aire de ariete cuando el avión está en tierra para que el intercambio de calor sea posible cuando el avión está parado. En vuelo, las puertas de aire de ariete se modulan para aumentar o disminuir el flujo de aire de ariete al intercambiador en función de la posición de los flaps del ala. Durante el vuelo lento, cuando los flaps están extendidos, las puertas están abiertas.
A velocidades más altas, con los flaps retraídos, las puertas se mueven hacia la posición cerrada reduciendo la cantidad de aire de ariete que llega al intercambiador. Una operación similar se realiza con una válvula en los aviones más pequeños.
Unidad de turbina de refrigeración o máquina de ciclo de aire e intercambiador de calor secundario
El corazón del sistema de aire acondicionado de ciclo de aire es la unidad de turbina de refrigeración, también conocida como máquina de ciclo de aire (ACM). Se compone de un compresor que es accionado por una turbina en un eje común. El aire del sistema fluye desde el intercambiador de calor primario hacia el lado del compresor de la ACM.
A medida que el aire se comprime, su temperatura aumenta. A continuación, se envía a un intercambiador de calor secundario, similar al intercambiador de calor primario situado en el conducto de aire del ariete.
La elevada temperatura del aire comprimido del ACM facilita el intercambio de energía térmica con el aire del ariete. El aire enfriado del sistema, todavía bajo presión del flujo de aire continuo del sistema y del compresor ACM, sale del intercambiador de calor secundario.
Se dirige al lado de la turbina del ACM. El pronunciado ángulo de inclinación de las palas de la turbina ACM extrae más energía del aire a su paso e impulsa la turbina. Una vez que pasa, el aire se expande en la salida del ACM, enfriándose aún más.
La pérdida de energía combinada del aire que primero impulsa la turbina y luego se expande a la salida de la misma reduce la temperatura del aire del sistema hasta casi el punto de congelación.
Separador de agua
El aire frío de la máquina de ciclo de aire ya no puede retener la cantidad de agua que podía cuando estaba caliente. Se utiliza un separador de agua para eliminar el agua del aire saturado antes de enviarlo a la cabina del avión.
El separador funciona sin piezas móviles. El aire empañado del ACM entra y es forzado a través de un calcetín de fibra de vidrio que condensa y coalesce la niebla en gotas de agua más grandes.
La enrevesada estructura interior del separador hace girar el aire y el agua. El agua se acumula en los lados del separador y drena hacia abajo y fuera de la unidad, mientras que el aire seco pasa a través de ella. Se incorpora una válvula de derivación en caso de bloqueo.
Válvula de derivación de refrigeración - Refrigeration Bypass Valve
Como se ha mencionado, el aire que sale de la turbina ACM se expande y se enfría. Se enfría tanto que podría congelar el agua en el separador de agua, inhibiendo o bloqueando el flujo de aire. Un sensor de temperatura en el separador controla una válvula de derivación de refrigeración diseñada para mantener el aire que fluye a través del separador de agua por encima de la temperatura de congelación.
La válvula también se identifica con otros nombres, como válvula de control de temperatura, válvula de 35°, válvula antihielo y similares. Cuando se abre, desvía el aire caliente alrededor del ACM.
El aire se introduce en el conducto de expansión, justo antes del separador de agua, donde calienta el aire lo suficiente para evitar que se congele. Así, la válvula de derivación de refrigeración regula la temperatura del aire de descarga del ACM para que no se congele al pasar por el separador de agua.
Sistema de control de la temperatura de la cabina
Funcionamiento del sistema
La mayoría de los sistemas de control de la temperatura de la cabina funcionan de manera similar. La temperatura se monitoriza en la cabina, en la cabina de mando, en los conductos de aire acondicionado y en los conductos de aire de distribución.
Estos valores se introducen en un controlador de temperatura, o regulador de control de temperatura, normalmente situado en el compartimento de la electrónica.
Se puede ajustar un selector de temperatura en la cabina para introducir la temperatura deseada. El controlador de temperatura compara las señales de temperatura reales recibidas de los distintos sensores con la temperatura deseada.
La lógica del circuito para el modo seleccionado procesa estas señales de entrada. Se envía una señal de salida a una válvula del sistema de aire acondicionado de ciclo de aire.
Esta válvula tiene diferentes nombres dependiendo del fabricante de la aeronave y del diseño de los sistemas de control ambiental (es decir, válvula de mezcla, válvula de control de temperatura, válvula de aire de ajuste).
Mezcla el aire caliente de purga que ha evitado el proceso de refrigeración del ciclo de aire con el aire frío producido por éste. Modulando la válvula en respuesta a la señal del controlador de temperatura, el aire de la temperatura seleccionada se envía a la cabina a través del sistema de distribución de aire.
Las unidades de captación de la temperatura de la cabina y los sensores de temperatura de los conductos utilizados en el sistema de control de la temperatura son termistores. Su resistencia varía en función de los cambios de temperatura.
El selector de temperatura es un reóstato que varía su resistencia al girar el mando. En el regulador de temperatura, las resistencias se comparan en un circuito de puente. La salida del puente alimenta una función de regulación de la temperatura.
Se prepara una salida de señal eléctrica que se envía a la válvula que mezcla el aire caliente y el frío. En los aviones grandes con zonas de temperatura separadas, se utilizan válvulas moduladoras de aire para cada zona.
Las válvulas se modulan para proporcionar la mezcla correcta requerida para igualar la temperatura seleccionada. Los sensores de temperatura de la cabina, de la cabina de vuelo y de los conductos están situados estratégicamente para proporcionar información útil para controlar la temperatura de la cabina.
Acondicionamiento de aire por ciclo de vapor
La ausencia de una fuente de aire de purga en los aviones con motores recíprocos hace que el uso de un sistema de ciclo de aire no sea práctico para acondicionar el aire de la cabina. El aire acondicionado de ciclo de vapor se utiliza en la mayoría de las aeronaves sin turbina que están equipadas con aire acondicionado.
Sin embargo, no es una fuente de aire presurizado como lo es el aire acondicionado del sistema de ciclo de aire en las aeronaves con motor de turbina. El sistema de ciclo de vapor sólo enfría la cabina.
Si una aeronave equipada con un sistema de aire acondicionado de ciclo de vapor está presurizada, utiliza una de las fuentes comentadas en la sección de presurización anterior.
El aire acondicionado de ciclo de vapor es un sistema cerrado que se utiliza únicamente para la transferencia de calor desde el interior de la cabina al exterior de la misma. Puede funcionar en tierra y en vuelo.
Teoría de la refrigeración
La energía no puede crearse ni destruirse; sin embargo, puede transformarse y moverse. Esto es lo que ocurre en el aire acondicionado de ciclo de vapor. La energía térmica se traslada del aire de la cabina a un refrigerante líquido. Debido a la energía adicional, el líquido se transforma en vapor. El vapor se comprime y se calienta mucho.
Se retira de la cabina donde el vapor refrigerante muy caliente transfiere su energía térmica al aire exterior. Al hacerlo, el refrigerante se enfría y se condensa de nuevo en un líquido. El refrigerante vuelve a la cabina para repetir el ciclo de transferencia de energía.
El calor es una expresión de la energía, que suele medirse por la temperatura. Cuanto mayor es la temperatura de una sustancia, más energía contiene. El calor siempre fluye de caliente a frío.
Estos términos expresan la cantidad relativa de energía presente en dos sustancias. No miden la cantidad absoluta de calor presente. Sin una diferencia en los niveles de energía, no hay transferencia de energía (calor).
La adición de calor a una sustancia no siempre aumenta su temperatura. Cuando una sustancia cambia de estado, como cuando un líquido se convierte en vapor, se absorbe energía térmica. Esto se llama calor latente.
Cuando un vapor se condensa en un líquido, esta energía calorífica se desprende. La temperatura de una sustancia permanece constante durante su cambio de estado.
Toda la energía absorbida o cedida, el calor latente, se utiliza para el proceso de cambio. Una vez completado el cambio de estado, el calor añadido a una sustancia aumenta la temperatura de la misma.
Después de que una sustancia cambie de estado y se convierta en vapor, el aumento de la temperatura del vapor causado por la adición de más calor se denomina recalentamiento.
La temperatura a la que una sustancia pasa de líquido a vapor cuando se le añade calor se conoce como punto de ebullición. Es la misma temperatura a la que un vapor se condensa en un líquido cuando se elimina el calor. El punto de ebullición de cualquier sustancia varía directamente con la presión.
Cuando se aumenta la presión sobre un líquido, su punto de ebullición aumenta, y cuando se disminuye la presión sobre un líquido, su punto de ebullición también disminuye. Por ejemplo, el agua hierve a 212 °F a la temperatura atmosférica normal (14,7 psi).
Cuando se aumenta la presión sobre el agua líquida a 20 psi, no hierve a 212 °F. Se necesita más energía para superar el aumento de presión. Hierve aproximadamente a 226,4 °F.
Lo contrario también es cierto. El agua también puede hervir a una temperatura mucho más baja simplemente reduciendo la presión sobre ella. Con sólo 10 psi de presión sobre el agua líquida, hierve a 194 °F.
La presión de vapor es la presión del vapor que existe sobre un líquido que se encuentra en un recipiente cerrado a una temperatura determinada. La presión de vapor desarrollada por varias sustancias es única para cada una de ellas. Una sustancia que se dice que es volátil, desarrolla una alta presión de vapor a la temperatura estándar del día (59 °F).
Esto se debe a que el punto de ebullición de la sustancia es mucho más bajo. El punto de ebullición del tetrafluoroetano (R134a), el refrigerante utilizado en la mayoría de los sistemas de aire acondicionado de ciclo de vapor de los aviones, es de aproximadamente -15 °F.
Su presión de vapor a 59 °F es de aproximadamente 71 psi. La presión de vapor de cualquier sustancia varía directamente con la temperatura.
Ciclo de vapor
El aire acondicionado de ciclo de vapor es un sistema cerrado en el que un refrigerante circula a través de tubos y una variedad de componentes. El objetivo es eliminar el calor de la cabina del avión. Mientras circula, el refrigerante cambia de estado. Al manipular el calor latente necesario para ello, el aire caliente se sustituye por aire frío en la cabina del avión.
Para empezar, el R134a se filtra y se almacena bajo presión en un depósito conocido como secador receptor. El refrigerante está en forma líquida. El refrigerante fluye desde el secador receptor a través de una tubería hasta una válvula de expansión.
Dentro de la válvula, una restricción en forma de pequeño orificio bloquea la mayor parte del refrigerante. Como está bajo presión, una parte del refrigerante es forzada a atravesar el orificio. Sale en forma de rocío de pequeñas gotas en la tubería que se encuentra aguas abajo de la válvula.
La tubería se enrolla en un conjunto tipo radiador conocido como evaporador. Un ventilador se coloca para soplar el aire de la cabina sobre la superficie del evaporador. Al hacerlo, el calor del aire de la cabina es absorbido por el refrigerante, que lo utiliza para cambiar su estado de líquido a vapor.
Se absorbe tanto calor que el aire de la cabina soplado por el ventilador a través del evaporador se enfría considerablemente. Este es el aire acondicionado del ciclo de vapor que reduce la temperatura en la cabina.
El refrigerante gaseoso que sale del evaporador se introduce en un compresor. Allí se aumenta la presión y la temperatura del refrigerante. El refrigerante gaseoso de alta presión y alta temperatura fluye a través de tubos hasta un condensador. El condensador es como un radiador compuesto por una gran longitud de tubos con aletas unidas para favorecer la transferencia de calor.
El aire exterior se dirige sobre el condensador. La temperatura del refrigerante en el interior es superior a la del aire ambiente, por lo que el calor se transfiere del refrigerante al aire exterior. La cantidad de calor que se desprende es suficiente para enfriar el refrigerante y condensarlo de nuevo en un líquido a alta presión. Éste fluye a través de los tubos y vuelve al secador receptor, completando el ciclo de vapor.
El sistema de aire acondicionado de ciclo de vapor tiene dos caras. Uno acepta el calor y se conoce como el lado de baja. El otro cede calor y se conoce como lado alto. La baja y la alta se refieren a la temperatura y la presión del refrigerante.
Así, el compresor y la válvula de expansión son los dos componentes que separan el lado de baja del lado de alta del ciclo. El refrigerante del lado de baja se caracteriza por tener baja presión y temperatura. El refrigerante del lado de alta tiene alta presión y temperatura.
Componentes del sistema de aire acondicionado por ciclo de vapor
El examen de cada uno de los componentes del sistema de aire acondicionado por ciclo de vapor permite comprender mejor su funcionamiento.
Refrigerante
Durante muchos años, el diclorodifluorometano (R12) fue el refrigerante estándar utilizado en los sistemas de aire acondicionado de ciclo de vapor de los aviones. Algunos de estos sistemas siguen utilizándose en la actualidad. Se descubrió que el R12 tenía un efecto negativo sobre el medio ambiente; en particular, degradaba la capa de ozono protectora de la Tierra.
En la mayoría de los casos, ha sido sustituido por el tetrafluoroetano (R134a), que es más seguro para el medio ambiente. El R12 y el R134a no deben mezclarse, ni debe utilizarse uno en un sistema diseñado para el otro. Podrían dañarse los componentes blandos, como las mangueras y las juntas, lo que provocaría fugas y/o un mal funcionamiento.
Utilice únicamente el refrigerante especificado cuando realice el mantenimiento de sistemas de aire acondicionado de ciclo de vapor. El R12 y el R134a se comportan de forma tan similar que las descripciones del sistema de aire acondicionado de ciclo de vapor R134a y de sus componentes en los siguientes párrafos también se aplican a un sistema R12 y a sus componentes.
Secador receptor - Receiver Dryer
El secador receptor actúa como el depósito del sistema de ciclo de vapor. Está situado aguas abajo del condensador y aguas arriba de la válvula de expansión. Cuando hace mucho calor, el sistema utiliza más refrigerante que cuando las temperaturas son moderadas. Para ello, se almacena refrigerante adicional en el secador receptor.
Válvula de expansión
El refrigerante sale del secador receptor y fluye hacia la válvula de expansión. La válvula de expansión termostática tiene un orificio ajustable a través del cual se dosifica la cantidad correcta de refrigerante para obtener una refrigeración óptima.
Esto se consigue controlando la temperatura del refrigerante gaseoso a la salida del siguiente componente del ciclo, el evaporador. Lo ideal es que la válvula de expansión sólo deje pasar al evaporador la cantidad de refrigerante que pueda convertirse completamente en vapor.
Evaporador
La mayoría de los evaporadores están construidos con tubos de cobre o aluminio enrollados en una unidad compacta. Las aletas están unidas para aumentar la superficie, facilitando una rápida transferencia de calor entre el aire de la cabina soplado sobre el exterior del evaporador con un ventilador y el refrigerante del interior.
La válvula de expansión situada en la entrada del evaporador libera refrigerante líquido de alta presión y alta temperatura en el evaporador. A medida que el refrigerante absorbe el calor del aire de la cabina, se transforma en un vapor de baja presión.
Éste es descargado por la salida del evaporador al siguiente componente del sistema de ciclo de vapor, el compresor. Los captadores de temperatura y presión que regulan la válvula de expansión están situados a la salida del evaporador.
Compresor
El compresor es el corazón del sistema de aire acondicionado de ciclo de vapor. Hace circular el refrigerante por el sistema de ciclo de vapor. Recibe el vapor refrigerante de baja presión y baja temperatura desde la salida del evaporador y lo comprime.
Al aumentar la presión, también aumenta la temperatura. La temperatura del refrigerante se eleva por encima de la temperatura del aire exterior. A continuación, el refrigerante sale del compresor hacia el condensador, donde cede el calor al aire exterior.
Condensador
El condensador es el último componente del ciclo de vapor. Es un intercambiador de calor similar a un radiador, situado de forma que el aire exterior fluye sobre él y absorbe el calor del refrigerante de alta presión y alta temperatura que recibe del compresor. Normalmente se incluye un ventilador para hacer pasar el aire por el compresor durante el funcionamiento en tierra.
En algunas aeronaves, el aire exterior se canaliza hacia el compresor. En otros, el condensador se baja a la corriente de aire desde el fuselaje a través de un panel con bisagras. A menudo, el panel se controla mediante un interruptor en las palancas del acelerador. Se ajusta para retraer el compresor y aerodinamizar el fuselaje cuando se necesita toda la potencia.
Válvulas de servicio - Service Valves
Todos los sistemas de aire acondicionado de ciclo de vapor son sistemas cerrados; sin embargo, es necesario el acceso para el mantenimiento. Esto se logra mediante el uso de dos válvulas de servicio. Una válvula se encuentra en el lado alto del sistema y la otra en el lado bajo.
Un tipo común de válvula utilizada en los sistemas de ciclo de vapor que funcionan con refrigerante R12 es la válvula Schrader. Es similar a la válvula utilizada para inflar los neumáticos. Un núcleo central de la válvula se asienta y desasienta presionando un vástago unido a ella.
Un pasador en el accesorio de la manguera de servicio está diseñado para hacer esto cuando se enrosca en las roscas exteriores de la válvula. Todas las válvulas de servicio de las aeronaves deben estar tapadas cuando no se utilizan.
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