Sistemas de Oxígeno en Aviación - Aircraft Oxygen Systems
Los efectos negativos de la reducción de la presión atmosférica en las altitudes de vuelo, que obliga a que llegue menos oxígeno a la sangre, pueden superarse. Hay dos formas de hacerlo: aumentar la presión del oxígeno o aumentar la cantidad de oxígeno en la mezcla de aire.
Los grandes aviones de transporte y de pasajeros de alto rendimiento presurizan el aire de la cabina. Esto sirve para empujar más del 21% de oxígeno normal que se encuentra en el aire hacia la sangre para su saturación. Las técnicas de presurización se tratan más adelante en este capítulo. Cuando se utiliza, el porcentaje de oxígeno disponible para respirar sigue siendo el mismo; sólo se aumenta la presión.
Al aumentar la cantidad de oxígeno disponible en los pulmones, se requiere menos presión para saturar la sangre. Esta es la función básica del sistema de oxígeno de un avión. El aumento del nivel de oxígeno por encima del 21% que se encuentra en la atmósfera puede compensar la reducción de la presión que se produce al aumentar la altitud.
El oxígeno puede regularse en el aire que se respira para mantener una cantidad suficiente para la saturación de la sangre. La actividad mental y física normal puede mantenerse a altitudes indicadas de hasta unos 40.000 pies con el único uso de oxígeno suplementario.
Los sistemas de oxígeno que aumentan la cantidad de oxígeno en el aire respirable se utilizan más comúnmente como sistemas primarios en aeronaves pequeñas y medianas diseñadas sin presurización de la cabina.
Las aeronaves presurizadas utilizan sistemas de oxígeno como medio de redundancia en caso de que falle la presurización. El equipo de oxígeno portátil también puede estar a bordo con fines de primeros auxilios.
Oxígeno gaseoso
El oxígeno es un gas incoloro, inodoro e insípido a temperaturas y presiones atmosféricas normales. Se transforma en líquido a -183 °C (su punto de ebullición). El oxígeno se combina fácilmente con la mayoría de los elementos y numerosos compuestos.
Esta combinación se denomina oxidación. Normalmente, la oxidación produce calor. Cuando algo arde, en realidad se está combinando rápidamente con el oxígeno. El oxígeno en sí mismo no arde porque no se combina consigo mismo, excepto para formar oxígeno u ozono.
Sin embargo, el oxígeno puro se combina violentamente con los productos petrolíferos, creando un peligro importante cuando se manipulan estos materiales en proximidad. Sin embargo, el oxígeno y varios combustibles derivados del petróleo se combinan para crear la energía producida en los motores de combustión interna.
El oxígeno gaseoso puro, o casi puro, se almacena y transporta en botellas de alta presión que suelen estar pintadas de color verde. Los técnicos deben tener la precaución de mantener el oxígeno puro alejado del combustible, el aceite y la grasa para evitar una combustión no deseada.
No todo el oxígeno de los contenedores es igual. El oxígeno respirable de los aviadores se somete a pruebas para detectar la presencia de agua. Esto se hace para evitar la posibilidad de que se congele en las pequeñas vías de paso de las válvulas y reguladores.
El hielo podría impedir el suministro de oxígeno cuando fuera necesario. Los aviones operan a menudo a temperaturas bajo cero, lo que aumenta la posibilidad de congelación. El nivel de agua debe ser de un máximo de 0,02 ml por litro de oxígeno.
Las palabras "Aviator's Breathing Oxygen" (oxígeno respiratorio para aviadores) deben marcarse claramente en cualquier botella que contenga oxígeno para este fin.
La producción de oxígeno gaseoso para las botellas comerciales o de aviación suele realizarse mediante un proceso de licuación del aire. Controlando la temperatura y la presión, se puede permitir que el nitrógeno del aire se desprenda dejando la mayor parte del oxígeno puro.
El oxígeno también puede producirse mediante la electrólisis del agua. El paso de la corriente eléctrica a través del agua separa el oxígeno del hidrógeno. Otro método para producir oxígeno gaseoso es separar el nitrógeno y el oxígeno del aire mediante el uso de un tamiz molecular.
Esta membrana filtra el nitrógeno y algunos de los otros gases del aire, dejando un oxígeno casi puro para su uso. Los tamices de oxígeno a bordo, o concentradores de oxígeno como se les llama a veces, se utilizan en algunos aviones militares. Se espera su uso en la aviación civil.
El uso de oxímetros de pulso portátiles se ha vuelto más común en la aviación. Estos dispositivos miden el nivel de saturación de oxígeno de la sangre. Con esta información, se pueden realizar ajustes en las tasas de flujo de oxígeno del equipo de oxígeno a bordo para evitar la hipoxia.
Oxígeno líquido
El oxígeno líquido (LOX) es un líquido azul pálido y transparente. El oxígeno puede hacerse líquido bajando la temperatura a menos de -183 °C o colocando el oxígeno gaseoso bajo presión. Una combinación de estos métodos se consigue con una botella Dewar.
Este recipiente especial se utiliza para almacenar y transportar oxígeno líquido. Utiliza un diseño de aislamiento evacuado de doble pared para mantener el oxígeno líquido bajo presión a una temperatura muy baja.
Se permite que una cantidad controlada de oxígeno se vaporice y se introduce en un sistema de suministro de oxígeno gaseoso aguas abajo de un convertidor que forma parte del conjunto del contenedor.
Una pequeña cantidad de LOX puede convertirse en una enorme cantidad de oxígeno gaseoso, lo que permite utilizar muy poco espacio de almacenamiento en comparación con el necesario para las botellas de oxígeno gaseoso de alta presión.
Sin embargo, la dificultad de manipular el LOX, y el coste de hacerlo, ha hecho que el sistema de contenedores utilizado para el oxígeno gaseoso prolifere en toda la aviación civil. El LOX se utiliza en la aviación militar y en algunas aplicaciones de helicópteros médicos para el oxígeno de los pacientes.
Oxígeno químico o sólido
El clorato de sodio tiene una característica única. Cuando se enciende, produce oxígeno al arder. Éste puede filtrarse y suministrarse a través de una manguera a una máscara que puede ser llevada y respirada directamente por el usuario.
Las velas de oxígeno sólido, como se denominan, están formadas por trozos de clorato sódico envueltos en carcasas de acero inoxidable aisladas para controlar el calor producido al activarse. El suministro de oxígeno químico suele encenderse mediante un percutor accionado por un resorte que, al tirar de él, libera un martillo que rompe un casquillo creando una chispa que enciende la vela.
También existe el encendido eléctrico mediante un cable caliente inducido por la corriente. Una vez encendido, un generador de oxígeno de clorato de sodio no puede extinguirse. Produce un flujo constante de oxígeno respirable hasta que se quema, generando normalmente entre 10 y 20 minutos de oxígeno.
Los generadores de oxígeno sólido se utilizan principalmente como dispositivos de oxígeno de reserva en aviones presurizados. Son un tercio más pesados que los sistemas de oxígeno gaseoso que utilizan pesados tanques de almacenamiento para la misma cantidad de oxígeno disponible.
Los generadores de oxígeno químico de clorato sódico también tienen una larga vida útil, lo que los hace perfectos como forma de oxígeno de reserva. Son inertes por debajo de 400 °F y pueden permanecer almacenados con poco mantenimiento o inspección hasta que se necesiten, o hasta que se alcance su fecha de caducidad.
La característica de no extinguirse una vez encendido limita el uso del oxígeno sólido, ya que se convierte en una fuente de todo o nada. Los generadores deben ser sustituidos si se utilizan, lo que puede aumentar en gran medida el coste de su uso como fuente de oxígeno durante cortos periodos de tiempo.
Además, las velas químicas de oxígeno deben transportarse con extrema precaución y como materiales peligrosos. Deben estar debidamente embaladas y sus dispositivos de ignición desactivados.
Sistemas generadores de oxígeno a bordo (OBOGS) - Onboard Oxygen Generating Systems (OBOGS)
El método del tamiz molecular para separar el oxígeno de los demás gases del aire tiene aplicación en vuelo, así como en tierra. Los tamices son relativamente ligeros y liberan al aviador de la necesidad de apoyo en tierra para el suministro de oxígeno.
Los sistemas de generación de oxígeno a bordo de los aviones militares hacen pasar el aire de purga de los motores de turbina a través de un tamiz que separa el oxígeno para su uso en la respiración.
Parte del oxígeno separado también se utiliza para purgar el tamiz del nitrógeno y otros gases que lo mantienen fresco para su uso. Se prevé el uso de este tipo de producción de oxígeno en los aviones civiles.
Sistemas de oxígeno y componentes
En la aviación civil se utilizan sistemas de oxígeno integrados y portátiles. Utilizan oxígeno gaseoso o sólido (generadores de oxígeno) según convenga al propósito y a la aeronave. Los sistemas LOX y los sistemas de oxígeno de tamiz molecular no se discuten, ya que las aplicaciones actuales en aeronaves civiles son limitadas.
Sistemas de oxígeno gaseoso
El uso de oxígeno gaseoso en la aviación es común; sin embargo, las aplicaciones varían. En una aeronave ligera, puede consistir en una pequeña botella portátil de transporte con una sola máscara conectada mediante una manguera a un regulador en la botella.
Las botellas portátiles más grandes pueden estar equipadas con un regulador que divide el flujo de salida para 2-4 personas. Los sistemas de oxígeno incorporados en aviones bimotores ligeros y de alto rendimiento suelen tener un lugar donde se instalan las botellas de oxígeno para alimentar un sistema de distribución mediante tubos y un regulador.
El compartimento de pasajeros puede tener múltiples estaciones de respiración conectadas para que cada pasajero pueda conectar individualmente una manguera y una máscara si necesita oxígeno. Un regulador central es normalmente controlado por la tripulación de vuelo que puede tener su propio regulador y botella de oxígeno.
Las aeronaves de categoría de transporte pueden utilizar un elaborado sistema de oxígeno gaseoso incorporado como sistema de respaldo a la presurización de la cabina.
En todos estos casos, el oxígeno se almacena como gas a temperatura atmosférica en cilindros de alta presión. Se distribuye a través de un sistema con varios componentes que se describen en esta sección.
Cilindros de almacenamiento de oxígeno
El oxígeno gaseoso se almacena y transporta en botellas de alta presión. Tradicionalmente, han sido tanques pesados de acero con una presión nominal de 1800-1850 psi y capaces de mantener una presión de hasta 2.400 psi.
Aunque su rendimiento era adecuado, se buscaban tanques más ligeros. Algunos de los cilindros más recientes están compuestos por una carcasa de aluminio ligera envuelta en Kevlar®. Estas botellas son capaces de transportar la misma cantidad de oxígeno a la misma presión que las de acero, pero pesan mucho menos.
También están disponibles botellas de aluminio de paredes gruesas. Estas unidades son comunes como oxígeno portátil para llevar en aviones ligeros.
Sistemas de oxígeno y reguladores
El diseño de los diversos sistemas de oxígeno utilizados en las aeronaves depende en gran medida del tipo de aeronave, sus requisitos operativos y si la aeronave tiene un sistema de presurización.
Los sistemas se caracterizan a menudo por el tipo de regulador utilizado para dispensar el oxígeno: flujo continuo y flujo a demanda. En algunas aeronaves, se instala un sistema de oxígeno de flujo continuo tanto para los pasajeros como para la tripulación.
El sistema de demanda de presión se utiliza ampliamente como sistema para la tripulación, especialmente en los aviones de transporte más grandes. Muchas aeronaves tienen una combinación de ambos sistemas que puede ser aumentada por equipos portátiles.
Sistemas de flujo continuo
En su forma más sencilla, un sistema de oxígeno de flujo continuo permite que el oxígeno salga de la botella de almacenamiento a través de una válvula y lo haga pasar por un regulador/reductor acoplado a la parte superior de la botella.
El flujo de oxígeno a alta presión pasa a través de una sección del regulador que reduce la presión del oxígeno, que luego se introduce en una manguera unida a una máscara que lleva el usuario. Una vez abierta la válvula, el flujo de oxígeno es continuo.
Incluso cuando el usuario está exhalando, o cuando la máscara no está en uso, un flujo preestablecido de oxígeno continúa hasta que la válvula del tanque se cierra. En algunos sistemas, el ajuste fino del flujo puede realizarse con un indicador de flujo ajustable que se instala en la manguera en línea con la mascarilla.
Sistemas de flujo a demanda
Cuando el oxígeno se suministra sólo cuando el usuario inhala, o a demanda, se conoce como sistema de flujo a demanda. Durante los periodos de retención y exhalación de la respiración, el suministro de oxígeno se detiene.
Así, la duración del suministro de oxígeno se prolonga, ya que no se desperdicia. Los sistemas de flujo a demanda son los más utilizados por la tripulación de los aviones de alto rendimiento y de la categoría de transporte aéreo.
Indicadores de flujo
Los indicadores de flujo, o medidores de flujo, son comunes en todos los sistemas de oxígeno. Suelen consistir en un objeto ligero, o aparato, que es movido por el flujo de oxígeno.
Cuando existe flujo, este movimiento señala al usuario de alguna manera. Muchos medidores de flujo en los sistemas de oxígeno de flujo continuo también funcionan como ajustadores de caudal.
Las válvulas de aguja instaladas en la carcasa del indicador de flujo pueden ajustar con precisión la tasa de suministro de oxígeno. Los sistemas de oxígeno a demanda suelen tener indicadores de flujo integrados en los reguladores individuales de cada estación de usuario.
Algunos contienen un dispositivo parpadeante que se activa cuando el usuario inhala y se suministra oxígeno. Otros mueven un objeto de médula de color en una ventana. En cualquier caso, los indicadores de flujo proporcionan una rápida verificación de que un sistema de oxígeno está funcionando.
Tuberías y válvulas de oxígeno
Los tubos y accesorios constituyen la mayor parte de las tuberías del sistema de oxígeno y conectan los distintos componentes. La mayoría de las líneas son metálicas en las instalaciones permanentes. Las líneas de alta presión suelen ser de acero inoxidable.
Los tubos de las partes de baja presión del sistema de oxígeno suelen ser de aluminio. Las mangueras de plástico flexible se utilizan para llevar el oxígeno a las máscaras; su uso está aumentando en las instalaciones permanentes para ahorrar peso.
Sistemas de oxígeno químico
Los dos tipos principales de sistemas de oxígeno químico son el tipo portátil, muy parecido a una botella de oxígeno gaseoso portátil, y el sistema de oxígeno suplementario totalmente integrado que se utiliza como reserva en aviones presurizados en caso de fallo de presurización.
Este último uso de generadores de oxígeno químico sólido es el más común en los aviones de pasajeros. Los generadores se almacenan en la unidad de alimentación superior y se conectan a mangueras y máscaras para cada pasajero a bordo del avión.
Cuando se produce una despresurización, o la tripulación de vuelo activa un interruptor, se abre una puerta del compartimento y las máscaras y mangueras caen delante de los pasajeros. La acción de bajar la máscara hasta una posición utilizable acciona una corriente eléctrica, o martillo de encendido, que enciende la vela de oxígeno e inicia el flujo de oxígeno.
Normalmente, se dispone de 10 a 20 minutos de oxígeno para cada usuario. Se calcula que este tiempo es suficiente para que la aeronave descienda a una altitud segura para respirar sin ayuda.
Los sistemas de oxígeno químico son únicos en el sentido de que no producen el oxígeno hasta que es el momento de utilizarlo. Esto permite un transporte más seguro del suministro de oxígeno con menos mantenimiento.
Los sistemas químicos de generación de oxígeno también requieren menos espacio y pesan menos que los sistemas de oxígeno gaseoso que suministran al mismo número de personas. Se evitan largos recorridos de tubos, accesorios, reguladores y otros componentes, así como las pesadas botellas de almacenamiento de oxígeno gaseoso.
Cada agrupación de filas de pasajeros tiene su propio generador químico de oxígeno totalmente independiente. Los generadores, que a menudo pesan menos de una libra, están aislados y pueden arder completamente sin calentarse. El tamaño de la abertura del orificio en las boquillas de las mangueras regula el flujo continuo de oxígeno a los usuarios.
Sistemas LOX
Los sistemas LOX se utilizan raramente en la aviación civil. Pueden encontrarse en antiguas aeronaves militares ahora en la flota civil. Como se ha mencionado, el almacenamiento de LOX requiere un sistema especial de contenedores.
La disposición de las tuberías para convertir el líquido en un gas utilizable también es única. Consiste básicamente en un conjunto de intercambio de calor controlado de tubos y válvulas. Se proporciona un alivio de presión a bordo para situaciones de temperatura excesiva.
Una vez en estado gaseoso, el sistema LOX es el mismo que el de cualquier sistema comparable de suministro de oxígeno gaseoso. Es habitual el uso de reguladores de presión y máscaras. Consulte el manual de mantenimiento del fabricante para obtener más información si se encuentra un sistema LOX.
Prevención de incendios o explosiones de oxígeno
Deben tomarse precauciones cuando se trabaje con o cerca de oxígeno puro. Se combina fácilmente con otras sustancias, algunas de forma violenta y explosiva.
Como se ha mencionado, es extremadamente importante mantener la distancia entre el oxígeno puro y los productos del petróleo. Si se permite que se combinen, puede producirse una explosión.
Además, hay una serie de prácticas de inspección y mantenimiento que deben seguirse para garantizar la seguridad al trabajar con oxígeno y sistemas de oxígeno. Se debe tener cuidado y, en la medida de lo posible, el mantenimiento debe realizarse en el exterior.
Cuando se trabaje en un sistema de oxígeno, es esencial que se observen cuidadosamente las advertencias y precauciones indicadas en el manual de mantenimiento de la aeronave.
Antes de intentar cualquier trabajo, se debe tener a mano un extintor de incendios adecuado. Acordone la zona y coloque carteles de "NO FUMAR". Asegúrese de que todas las herramientas y el equipo de mantenimiento estén limpios y evite las comprobaciones de encendido y el uso del sistema eléctrico de la aeronave.
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