Aeronave: Sistemas de Ar Condicionado

Ciclo de Ar Ar Condicionado 

O ar condicionado do ciclo de ar prepara o ar de sangria do motor para pressurizar a cabine da aeronave. A temperatura e a quantidade de ar devem ser controladas para manter um ambiente de cabine confortável em todas as altitudes e no solo. O sistema de ciclo de ar é frequentemente chamado de pacote ou pacote de ar condicionado. Geralmente está localizado na metade inferior da fuselagem ou na cauda de aeronaves movidas a turbina. 

Operação de sistema 

Mesmo com as temperaturas frias experimentadas em altas altitudes, o ar de sangria é muito quente para ser usado na cabine sem ser resfriado. Ele é deixado no sistema de ciclo de ar e encaminhado através de um trocador de calor onde o ar ram esfria o ar de sangria. Este ar de sangria resfriado é direcionado para uma máquina de ciclo de ar. Lá, ele é comprimido antes de fluir através de uma troca de calor secundária que resfria o ar novamente com ar ram. O ar de sangria flui de volta para a máquina de ciclo de ar, onde aciona uma turbina de expansão e resfria ainda mais. A água é então removida e o ar é misturado com o ar de sangria desviado para o ajuste final da temperatura. Ele é enviado para a cabine através do sistema de distribuição de ar. Ao examinar a operação de cada componente no processo do ciclo de ar, pode-se desenvolver uma melhor compreensão de como o ar de sangria é condicionado para uso na cabine.

Fornecimento do Sistema Pneumático 

O sistema de ar condicionado do ciclo de ar é fornecido com ar pelo sistema pneumático da aeronave. Por sua vez, o sistema pneumático é abastecido por derivações de ar de purga em cada seção do compressor do motor ou da alimentação pneumática da APU. Uma fonte de suprimento de ar pneumática externa também pode ser conectada enquanto a aeronave está estacionária no solo. Em operações normais de voo, um coletor pneumático é fornecido pelo ar de sangria do motor através do uso de válvulas, reguladores e dutos. Os pacotes de ar condicionado são fornecidos por este coletor, assim como outros sistemas críticos de fuselagem, como o sistema de pressurização hidráulica e anti-gelo. 

Operação do componente 

Válvula de Pacote 

A válvula pack é a válvula que regula o ar de sangria do coletor pneumático para o sistema de ar condicionado do ciclo de ar. É controlado com um interruptor do painel de ar condicionado no cockpit. Muitas válvulas de pacote são controladas eletricamente e operadas pneumaticamente. Também conhecida como válvula de corte de alimentação, a válvula pack abre, fecha e modula para permitir que o sistema de ar condicionado do ciclo de ar seja fornecido com um volume projetado de ar quente e pressurizado. Quando um superaquecimento ou outra condição anormal exige que o pacote de ar condicionado seja desligado, um sinal é enviado à válvula do pacote para fechar.

Desvio de ar de sangria 

Um meio para desviar parte do ar pneumático fornecido ao sistema de ar condicionado do ciclo de ar ao redor do sistema está presente em todas as aeronaves. Este ar quente desviado deve ser misturado com o ar frio produzido pelo sistema de ciclo de ar para que o ar entregue à cabine tenha uma temperatura confortável. No sistema mostrado na Figura, isso é realizado pela válvula misturadora. Ele controla simultaneamente o fluxo de ar desviado e ar a ser resfriado para atender aos requisitos do controlador automático de temperatura. Também pode ser controlado manualmente com o seletor de temperatura da cabine no modo manual. Outros sistemas de ciclo de ar podem se referir à válvula que controla o ar desviado ao redor do sistema de resfriamento do ciclo de ar como uma válvula de controle de temperatura, válvula reguladora de pressão de ar de compensação ou algo semelhante.

Trocador de calor primário 

Geralmente, o ar quente dedicado a passar pelo sistema de ciclo de ar passa primeiro por um trocador de calor primário. Ele age de forma semelhante ao radiador em um automóvel. Um fluxo controlado de ar ram é conduzido sobre e através do trocador, o que reduz a temperatura do ar dentro do sistema. Um ventilador puxa o ar através do duto de ar ram quando a aeronave está no solo, de modo que a troca de calor seja possível quando a aeronave estiver parada. Em voo, as portas de ar ram são moduladas para aumentar ou diminuir o fluxo de ar ram para o trocador de acordo com a posição dos flaps das asas. Durante o vôo lento, quando os flaps são estendidos, as portas estão abertas. Em velocidades mais altas, com as abas recolhidas, as portas se movem para a posição fechada, reduzindo a quantidade de ar de ram para o trocador. Operação semelhante é realizada com uma válvula em aeronaves menores.

Unidade de turbina de refrigeração ou máquina de ciclo de ar e trocador de calor secundário

O coração do sistema de ar condicionado de ciclo de ar é a unidade de turbina de refrigeração, também conhecida como máquina de ciclo de ar (ACM). É composto por um compressor que é acionado por uma turbina em um eixo comum. O ar do sistema flui do trocador de calor primário para o lado do compressor do ACM. À medida que o ar é comprimido, sua temperatura aumenta. Em seguida, é enviado para um trocador de calor secundário, semelhante ao trocador de calor primário localizado no duto de ar ram. A temperatura elevada do ar comprimido ACM facilita uma troca fácil de energia térmica para o ar de ram. O ar resfriado do sistema, ainda sob pressão do fluxo de ar contínuo do sistema e do compressor ACM, sai do trocador de calor secundário. Ele é direcionado para o lado da turbina do ACM. O ângulo de inclinação da lâmina da turbina ACM extrai mais energia do ar à medida que passa e aciona a turbina. Depois de passar, o ar pode se expandir na saída do ACM, resfriando ainda mais. A perda de energia combinada do ar primeiro acionando a turbina e depois expandindo na saída da turbina reduz a temperatura do ar do sistema para quase congelamento.

Separador de água 

O ar frio da máquina de ciclo de ar não pode mais reter a quantidade de água que podia quando estava quente. Um separador de água é usado para remover a água do ar saturado antes de ser enviada para a cabine da aeronave. O separador opera sem partes móveis. O ar nebuloso do ACM entra e é forçado através de uma meia de fibra de vidro que condensa e aglutina a névoa em gotas de água maiores. A estrutura interior complicada do separador gira o ar e a água. A água é coletada nas laterais do separador e drena para baixo e para fora da unidade, enquanto o ar seco passa. Uma válvula de desvio é incorporada em caso de bloqueio.

Válvula de derivação de refrigeração 

Como mencionado, o ar que sai da turbina ACM se expande e esfria. Fica tão frio que pode congelar a água no separador de água, inibindo ou bloqueando o fluxo de ar. Um sensor de temperatura no separador controla uma válvula de derivação de refrigeração projetada para manter o ar fluindo através do separador de água acima da temperatura de congelamento. A válvula também é identificada por outros nomes, como válvula de controle de temperatura, válvula de 35°, válvula anti-gelo e similares. Ele ignora o ar quente ao redor do ACM quando aberto. O ar é introduzido no duto de expansão, logo a montante do separador de água, onde aquece o ar apenas o suficiente para evitar que ele congele. Assim, a válvula de derivação de refrigeração regula a temperatura do ar de descarga do ACM para que não congele ao passar pelo separador de água.

Sistema de Controle de Temperatura da Cabine 

A maioria dos sistemas de controle de temperatura da cabine opera de maneira semelhante. A temperatura é monitorada na cabine, cockpit, dutos de ar condicionado e dutos de distribuição de ar. Esses valores são inseridos em um controlador de temperatura, ou regulador de controle de temperatura, normalmente localizado no compartimento eletrônico. Um seletor de temperatura no cockpit pode ser ajustado para inserir a temperatura desejada. O controlador de temperatura compara os sinais de temperatura reais recebidos dos vários sensores com a entrada de temperatura desejada. A lógica do circuito para o modo selecionado processa esses sinais de entrada. Um sinal de saída é enviado para uma válvula no sistema de ar condicionado do ciclo de ar. Esta válvula tem nomes diferentes dependendo do fabricante da aeronave e do projeto dos sistemas de controle ambiental (ou seja, válvula de mistura, válvula de controle de temperatura, válvula de ar de compensação). Ele mistura o ar quente de sangria que contornou o processo de resfriamento do ciclo de ar com o ar frio produzido por ele. Ao modular a válvula em resposta ao sinal do controlador de temperatura, o ar da temperatura selecionada é enviado para a cabine através do sistema de distribuição de ar. 

As unidades de captação de temperatura da cabine e os sensores de temperatura do duto usados ​​no sistema de controle de temperatura são termistores. Sua resistência muda à medida que a temperatura muda. O seletor de temperatura é um reostato que varia sua resistência à medida que o botão é girado. No controlador de temperatura, as resistências são comparadas em um circuito em ponte. A saída da ponte alimenta uma função de regulação de temperatura. Uma saída de sinal elétrico é preparada e enviada para a válvula que mistura ar quente e frio. Em aeronaves grandes com zonas de temperatura separadas, são usadas válvulas de modulação de ar de compensação para cada zona. As válvulas modulam para fornecer a mistura correta necessária para corresponder à temperatura selecionada. Os sensores de temperatura da cabine, cabine de comando e dutos estão estrategicamente localizados para fornecer informações úteis para controlar a temperatura da cabine.

Ar Condicionado Ciclo de Vapor 

A ausência de uma fonte de ar de sangria em aeronaves com motores alternativos torna o uso de um sistema de ciclo de ar impraticável para o condicionamento do ar da cabine. O ar condicionado de ciclo de vapor é usado na maioria das aeronaves não turbinadas equipadas com ar condicionado. No entanto, não é uma fonte de ar pressurizado, pois o ar condicionado do sistema de ciclo de ar está em aeronaves com turbina. O sistema de ciclo de vapor apenas resfria a cabine. Se uma aeronave equipada com um sistema de ar condicionado de ciclo de vapor for pressurizada, ela usará uma das fontes discutidas na seção de pressurização acima. O ar condicionado de ciclo de vapor é um sistema fechado usado exclusivamente para a transferência de calor de dentro da cabine para fora da cabine. Pode operar no solo e em voo. 

Teoria da Refrigeração

A energia não pode ser criada nem destruída; no entanto, ele pode ser transformado e movido. Isso é o que ocorre durante o ar condicionado do ciclo de vapor. A energia térmica é movida do ar da cabine para um refrigerante líquido. Devido à energia adicional, o líquido se transforma em vapor. O vapor é comprimido e fica muito quente. Ele é removido da cabine, onde o refrigerante de vapor muito quente transfere sua energia térmica para o ar externo. Ao fazer isso, o refrigerante esfria e condensa de volta em um líquido. O refrigerante retorna à cabine para repetir o ciclo de transferência de energia. 

O calor é uma expressão de energia, normalmente medida pela temperatura. Quanto maior a temperatura de uma substância, mais energia ela contém. O calor sempre flui do quente para o frio. Esses termos expressam a quantidade relativa de energia presente em duas substâncias. Eles não medem a quantidade absoluta de calor presente. Sem uma diferença nos níveis de energia, não há transferência de energia (calor).

A adição de calor a uma substância nem sempre aumenta sua temperatura. Quando uma substância muda de estado, como quando um líquido se transforma em vapor, a energia térmica é absorvida. Isso é chamado de calor latente. Quando um vapor se condensa em um líquido, essa energia térmica é liberada. A temperatura de uma substância permanece constante durante sua mudança de estado. Toda a energia absorvida ou liberada, o calor latente, é utilizada para o processo de mudança. Uma vez que a mudança de estado está completa, o calor adicionado a uma substância aumenta a temperatura da substância. Depois que uma substância muda de estado para vapor, o aumento da temperatura do vapor causado pela adição de ainda mais calor é chamado de superaquecimento.

A temperatura na qual uma substância muda de um líquido para um vapor quando o calor é adicionado é conhecida como seu ponto de ebulição. Esta é a mesma temperatura na qual um vapor se condensa em um líquido quando o calor é removido. O ponto de ebulição de qualquer substância varia diretamente com a pressão. Quando a pressão de um líquido aumenta, seu ponto de ebulição aumenta, e quando a pressão de um líquido diminui, seu ponto de ebulição também diminui. Por exemplo, a água ferve a 212 °F na temperatura atmosférica normal (14,7 psi). Quando a pressão na água líquida é aumentada para 20 psi, ela não ferve a 212 °F. É necessária mais energia para superar o aumento da pressão. Ele ferve a aproximadamente 226,4 ° F. A recíproca também é verdadeira. A água também pode ferver a uma temperatura muito mais baixa simplesmente reduzindo a pressão sobre ela. Com apenas 10 psi de pressão sobre a água líquida,

A pressão de vapor é a pressão do vapor que existe acima de um líquido que está em um recipiente fechado a qualquer temperatura. A pressão de vapor desenvolvida por várias substâncias é única para cada substância. Uma substância que se diz ser volátil desenvolve alta pressão de vapor à temperatura padrão do dia (59 ° F). Isso ocorre porque o ponto de ebulição da substância é muito menor. O ponto de ebulição do tetrafluoroetano (R134a), o refrigerante usado na maioria dos sistemas de ar condicionado de ciclo de vapor de aeronaves, é de aproximadamente –15 °F. Sua pressão de vapor a 59 °F é de cerca de 71 psi. A pressão de vapor de qualquer substância varia diretamente com a temperatura.

Ciclo de Vapor Básico 

O ar condicionado de ciclo de vapor é um sistema fechado no qual um refrigerante é circulado através de tubos e uma variedade de componentes. O objetivo é remover o calor da cabine da aeronave. Enquanto circula, o refrigerante muda de estado. Ao manipular o calor latente necessário para isso, o ar quente é substituído por ar frio na cabine da aeronave. 

Para começar, o R134a é filtrado e armazenado sob pressão em um reservatório conhecido como secador receptor. O refrigerante está na forma líquida. Ele flui do secador receptor através da tubulação para uma válvula de expansão. Dentro da válvula, uma restrição na forma de um pequeno orifício bloqueia a maior parte do refrigerante. Uma vez que está sob pressão, parte do refrigerante é forçada através do orifício. Ele emerge como um spray de gotículas minúsculas na tubulação a jusante da válvula. A tubulação é enrolada em um conjunto do tipo radiador conhecido como evaporador. Um ventilador é posicionado para soprar o ar da cabine sobre a superfície do evaporador. Ao fazê-lo, o calor do ar da cabine é absorvido pelo refrigerante, que o usa para mudar de estado de líquido para vapor. Tanto calor é absorvido que o ar da cabine soprado pelo ventilador através do evaporador esfria significativamente.

O refrigerante gasoso que sai do evaporador é puxado para um compressor. Lá, a pressão e a temperatura do refrigerante são aumentadas. O refrigerante gasoso de alta pressão e alta temperatura flui através da tubulação para um condensador. O condensador é como um radiador composto por um grande comprimento de tubulação com aletas anexadas para promover a transferência de calor. O ar externo é direcionado para o condensador. A temperatura do refrigerante no interior é superior à temperatura do ar ambiente, pelo que o calor é transferido do refrigerante para o ar exterior. A quantidade de calor liberada é suficiente para resfriar o refrigerante e condensá-lo de volta a um líquido de alta pressão. Ele flui através da tubulação e volta para o secador receptor, completando o ciclo de vapor. 

Existem dois lados para o sistema de ar condicionado de ciclo de vapor. Um aceita calor e é conhecido como o lado baixo. O outro cede calor e é conhecido como o lado alto. O baixo e o alto referem-se à temperatura e pressão do refrigerante. Como tal, o compressor e a válvula de expansão são os dois componentes que separam o lado baixo do lado alto do ciclo. O refrigerante no lado baixo é caracterizado como tendo baixa pressão e temperatura. O refrigerante no lado alto tem alta pressão e temperatura.   

Componentes do sistema de ar condicionado de ciclo de vapor 

Ao examinar cada componente do sistema de ar condicionado de ciclo de vapor, pode-se obter uma maior compreensão de sua função.

Refrigerante 

Por muitos anos, o diclorodifluorometano (R12) foi o refrigerante padrão usado em sistemas de ar condicionado de ciclo de vapor de aeronaves. Alguns desses sistemas permanecem em uso hoje. R12 foi encontrado para ter um efeito negativo sobre o meio ambiente; em particular, degradou a camada protetora de ozônio da Terra. Na maioria dos casos, foi substituído pelo tetrafluoroetano (R134a), que é mais seguro para o meio ambiente. R12 e R134a não devem ser misturados, nem um deve ser usado em um sistema projetado para o outro. Possíveis danos a componentes macios, como mangueiras e vedações, podem causar vazamentos e/ou mau funcionamento. Use apenas o refrigerante especificado ao fazer a manutenção de sistemas de ar condicionado de ciclo de vapor.

Secador Receptor 

O secador receptor atua como reservatório do sistema de ciclo de vapor. Está localizado a jusante do condensador e a montante da válvula de expansão. Quando está muito quente, mais refrigerante é usado pelo sistema do que quando as temperaturas são moderadas. Refrigerante extra é armazenado no secador receptor para esta finalidade.  

Válvula de expansão 

O refrigerante sai do secador do receptor e flui para a válvula de expansão. A válvula de expansão termostática possui um orifício ajustável através do qual a quantidade correta de refrigerante é medida para obter um resfriamento ideal. Isso é feito monitorando a temperatura do refrigerante gasoso na saída do próximo componente do ciclo, o evaporador. Idealmente, a válvula de expansão deve deixar apenas a quantidade de refrigerante pulverizada no evaporador que pode ser completamente convertida em vapor.

Evaporador 

A maioria dos evaporadores são construídos com tubos de cobre ou alumínio enrolados em uma unidade compacta. As aletas são fixadas para aumentar a área de superfície, facilitando a rápida transferência de calor entre o ar da cabine soprado para fora do evaporador com um ventilador e o refrigerante dentro. A válvula de expansão localizada na entrada do evaporador libera refrigerante líquido de alta pressão e alta temperatura no evaporador. À medida que o refrigerante absorve o calor do ar da cabine, ele se transforma em vapor de baixa pressão. Este é descarregado da saída do evaporador para o próximo componente no sistema de ciclo de vapor, o compressor. Os captadores de temperatura e pressão que regulam a válvula de expansão estão localizados na saída do evaporador.

Compressor 

O compressor é o coração do sistema de ar condicionado de ciclo de vapor. Ele circula o refrigerante ao redor do sistema de ciclo de vapor. Ele recebe vapor refrigerante de baixa pressão e baixa temperatura da saída do evaporador e o comprime. À medida que a pressão aumenta, a temperatura também aumenta. A temperatura do refrigerante é aumentada acima da temperatura do ar externo. O refrigerante então flui para fora do compressor para o condensador, onde libera o calor para o ar externo.

Condensador 

O condensador é o componente final no ciclo de vapor. É um trocador de calor semelhante a um radiador situado de modo que o ar externo flua sobre ele e absorva o calor do refrigerante de alta pressão e alta temperatura recebido do compressor. Um ventilador é geralmente incluído para puxar o ar através do compressor durante a operação em solo. Em algumas aeronaves, o ar externo é conduzido para o compressor. Em outros, o condensador é baixado na corrente de ar da fuselagem por meio de um painel articulado. Muitas vezes, o painel é controlado por um interruptor nas alavancas do acelerador. Ele está configurado para retrair o compressor e agilizar a fuselagem quando a potência total for necessária.

Válvulas de serviço 

Todos os sistemas de ar condicionado de ciclo de vapor são sistemas fechados; no entanto, o acesso é necessário para manutenção. Isto é conseguido através do uso de duas válvulas de serviço. Uma válvula está localizada no lado alto do sistema e a outra no lado baixo. Um tipo comum de válvula usada em sistemas de ciclo de vapor que operam com refrigerante R12 é a válvula Schrader. É semelhante à válvula usada para inflar os pneus. Um núcleo de válvula central assenta e desencaixa pressionando uma haste presa a ele. Um pino na conexão da mangueira de manutenção é projetado para fazer isso quando aparafusado nas roscas externas da válvula. Todas as válvulas de serviço da aeronave devem ser tampadas quando não estiverem em uso.  

Equipamento de manutenção de ar condicionado de ciclo de vapor 

Equipamentos especiais de manutenção são usados ​​para manutenção de sistemas de ar condicionado de ciclo de vapor. A Agência de Proteção Ambiental dos EUA (EPA) declarou ilegal a liberação de refrigerante R12 na atmosfera. O equipamento foi projetado para capturar o refrigerante durante o processo de manutenção. Embora o R134a não tenha essa restrição, é ilegal em alguns locais liberá-lo na atmosfera e pode se tornar universal em um futuro próximo. É uma boa prática capturar todos os refrigerantes para uso futuro, em vez de desperdiçá-los ou prejudicar o meio ambiente liberando-os na atmosfera. Capturar o refrigerante é um processo simples projetado no equipamento de manutenção adequado. O técnico deve estar sempre atento ao uso do refrigerante aprovado para o sistema em manutenção e deve seguir todas as instruções do fabricante.

Certificação de Técnico 

A EPA exige a certificação de técnicos que trabalham com refrigerantes e equipamentos de ar condicionado de ciclo de vapor para garantir a conformidade segura com os regulamentos atuais. Os técnicos de aeronaves podem obter a certificação ou podem encaminhar o trabalho de condicionamento de ar de ciclo de vapor para oficinas especializadas neste trabalho.