Pressurização e ar condicionado

Pressurização e ar condicionado

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CAPÍTULO 14 SISTEMA DE AR CONDICIONADO E PRESSURIZAÇÃO INTRODUÇÃO

O oxigênio é necessário para a maioria dos processos vitais. Antes que a ausência de oxigênio leve um ser vivo à morte subitamente, uma redução no suprimento normal de oxigênio para os tecidos do corpo pode produzir importantes mudanças em suas funções, nos processos mentais e graus de consciência.

A condição de inatividade da mente e do corpo, causada pela deficiência ou perda de oxigênio é chamada hipoxia. Existem várias causas de hipoxia, mas uma, relacionada à operação de aeronaves, é o decréscimo na pressão parcial do oxigênio nos pulmões.

Do nível do mar até 7.0 pés sobre o ní-
A uma grande altitude ocorre uma queda
A 10.0 pés sobre o nível do mar, a
A 2.0 pés acima do nível do mar, a

A razão pela qual os pulmões absorvem oxigênio depende da pressão do oxigênio. Essa pressão exerce cerca de um quinto da pressão total do ar em qualquer nível. Ao nível do mar o valor desta pressão (3PSI) é suficiente para saturar o sangue. Todavia, se ela é reduzida por causa da pressão atmosférica na altitude ou por causa do decréscimo da percentagem de oxigênio no ar respirado, a quantidade de oxigênio no sangue, deixando os pulmões, cai, e então, segue-se a hipoxia. vel do mar, o oxigênio contido e a pressão na atmosfera permanece suficientemente alta para manter quase total a saturação do sangue com oxigênio, e então assegurar as funções normais do corpo e da mente. na pressão barométrica, resultando em um decréscimo do oxigênio contido no ar inalado. Conseqüentemente, o oxigênio contido no sangue é reduzido. saturação de oxigênio do sangue é cerca de 90%. Uma longa permanência nessa altitude resultará em dor de cabeça e fadiga. A saturação de oxigênio cai a 81% a 15.0 pés sobre o nível do mar. Este decréscimo resultará em sonolência, dor de cabeça, lábios e unhas azuladas, enfraquecimento da visão e julgamento, acréscimo no ritmo cardíaco e respiratório, e algumas mudanças na personalidade.

saturação do sangue é de 68% e convulsões são possíveis de ocorrer. Permanecer sem suprimento de oxigênio a 25.0 pés por 5 minutos, quando a saturação do sangue cai para 5% - 50%, causará perda da consciência.

A mistura de gases comumente chamada ar, mas tecnicamente denominada atmosfera é composta principalmente de nitrogênio e oxigênio, existindo ainda pequenas quantidades de outros gases importantes, tais como dióxido de carbono, vapor d'água e ozônio. A figura 14-1 mostra a respectiva porcentagem da quantidade de cada gás em relação à mistura total.

Conforme a altitude aumenta, a quantidade

Figura 14-1 Os gases da atmosfera. total de todos os gases atmosféricos reduz rapidamente, e, exceto para vapor d'água e ozônio, as proporções relativas da mistura gasosa permanecem inalteradas acima de cerca de 50 milhas de altitude. Acima de 50 milhas de altitude, modificações acontecem, e diferentes gases, assim como novas formas de gases, presentes nas altitudes mais baixas, aparecem.

vital. Biologicamente ele é de importância

O nitrogênio é o gás mais comum e compreende 78% da mistura total dos gases atmosféricos. Todavia, até onde o homem conhece, o nitrogênio é um gás inerte, o que não pode ser usado diretamente para o seu próprio processo imensa, porque muitos compostos contendo nitrogênio são essenciais a toda matéria viva. O oxigênio e sua importância não pode ser

O dióxido de carbono é de interesse bio-
O vapor d'água na atmosfera é variável,
O ozônio é uma variedade de oxigênio, o
O ozônio é também produzido por descar-

subestimado. Sem oxigênio, a vida, como nós a conhecemos, não pode existir. O oxigênio ocupa 21% da mistura total dos gases atmosféricos. lógico. A pequena quantidade na atmosfera é usada pelas plantas para produzir as complexas substâncias, utilizadas pelos animais como alimento. O dióxido de carbono também auxilia no controle da respiração do homem e outros animais. entretanto, embora sob as condições de umidade ao nível do mar, ele raramente excede 5%; esse gás ainda absorve muito mais energia do sol que os outros gases. O vapor não é a única forma na qual a água ocorre na atmosfera; água e partículas de gelo estão quase sempre presentes. Essas partículas de gelo também absorvem energia e, com o vapor d'água, executam uma parte importante na formação das condições atmosféricas. qual contém três átomos de oxigênio por molécula, além dos dois usuais. A maior porção de ozônio na atmosfera é formada pela interação do oxigênio e dos raios solares, próximo ao topo da camada de ozônio. gas elétricas, daí o odor peculiar de ozônio, que é, de algum modo, semelhante ao cheiro da água clorada, e que pode ser detectado após os relâmpagos.

As auroras e raios cósmicos também podem produzir ozônio. O ozônio é de grande importância para as criaturas vivas na terra e para a circulação da atmosfera superior, assim como para os organismos vivos devido à sua capacidade de filtragem da maior parte dos raios ultra-violeta da radiação solar.

Pressão da atmosfera

Os gases da atmosfera (ar), embora invisíveis, têm peso exatamente como a matéria sólida. O peso de uma coluna de ar tomada da superfície da terra para o espaço é chamado de pressão atmosférica. Se esta coluna é de 1 sq.in, o peso do ar ao nível do mar é de aproximadamente 14.7 lbs., e a pressão atmosférica, em conseqüência, pode ser definida como 14.7 P.S.I ao nível do mar.

Outro modo comum de definição da pressão atmosférica é dar o peso de uma coluna de mercúrio, que pesa o mesmo que uma coluna de

A pressão atmosférica decresce com o

atmosfera de mesma seção reta. Quando medida deste modo, a pressão atmosférica ao nível do mar é normalmente 1013.2 milibares, ou 29.92 polegadas de mercúrio. aumento da altitude. A razão para isso é muito simples: a coluna de ar que é pesada é menor. A figura 14-2 mostra como a pressão muda para uma dada altitude. A queda de pressão é rápida, e a 50.0 pés a pressão atmosférica cai a quase um décimo do valor ao nível do mar. A umas poucas centenas de milhas sobre a terra, o ar torna-se tão rarefeito que a atmosfera pode ser considerada não-existente. A linha de demarcação com o espaço é muito vaga.

Figura 14-2 Variação da pressão com a altitude

Como a pressão atmosférica reduz com a altitude. Por exemplo, ao nível do mar a pressão é 14,7 P.S.I., enquanto que a 40.0 ft, como as linhas pontilhadas mostram, a pressão é de somente 2,72 P.S.I.

Temperatura e altitude

A meteorologia acha conveniente definir,

As variações na temperatura atmosférica próximo à terra são bem conhecidas, e não necessita discussão. Todavia em altas altitudes a temperatura atmosférica não é tão variável, mas tende a ter um padrão. um pouco arbitrariamente, a atmosfera como sendo feita em várias camadas. A mais baixa delas é chamada troposfera. A temperatura do ar diminui com o aumento da altitude na troposfera, encontrando um determinado mínimo no topo da camada. O topo da atmosfera é chamado de tropopausa. A tropopausa encontra sua maior altura sobre o Equador (cerca de 60.0 ft) e sua altura mais baixa sobre os pólos (cerca de 30.0 ft). A tropopausa marca o ponto no qual a temperatura do ar para de cair com o aumento da altitude, e permanece essencialmente constante.

A camada atmosférica sobre a tropopausa é chamada de estratosfera. A estratosfera mais baixa é uma região isotérmica (temperatura constante) na qual a temperatura não varia com a altitude.

A temperatura alcança o pico a cerca de

A região isotérmica continua acima −cerca de 82.0 pés a 115.0 pés de altitude. Acima deste nível, a temperatura aumenta bruscamente (de 1,5º C. por cada 1.0 pés). 164.0 pés a 197.0 pés de altitude. Acima de 197.0 pés de altitude (aproximadamente), a temperatura cai novamente, alcançando um mínimo de -10º F a -100º F a cerca de 230.0 pés a 262.0 pés de altitude. Acima deste nível, a temperatura novamente aumenta e, aparentemente, continua a crescer até o limite do espaço.

Os parágrafos precedentes apresentaram um conhecimento geral da atmosfera. É óbvio que um meio de prevenir a hipoxia e seus efeitos deve ser proporcionado. Quando uma pressão atmosférica cai abaixo de 3 P.S.I. (aproximada-mente 40.0 pés), mesmo respirando oxigênio puro não é suficiente.

A baixa pressão parcial do oxigênio, a baixa pressão do ar ambiente, e temperatura a alta altitude, tornam necessário criar o próprio meio ambiente para o conforto do passageiro e tripulação. O problema mais difícil é a manutenção da pressão parcial de oxigênio correta no ar inalado. Isto pode ser alcançado pela utilização de oxigênio, cabines pressurizadas, ou vestimenta pressurizada. O primeiro e segundo método são de uso extensivo na aviação civil.

A pressurização da cabine de aeronave é hoje o método aceito para proteger pessoas contra os efeitos da hipoxia. Dentro de uma cabine pressurizada, os passageiros podem ser transportados confortavel e seguramente por longos períodos de tempo, particularmente se a altitude da cabine é mantida a 8.0 pés, ou menos, onde o uso de equipamento de oxigênio não é requerido.

Todavia, a tripulação nesse tipo de aeronave deve ser alertada sobre o perigo da perda acidental da pressão da cabine, e deve ser preparada para enfrentar uma emergência, caso ela ocorra.

Quando uma aeronave voa a uma alta

PRESSURIZAÇÃO altitude, ela consome menos combustível para uma determinada velocidade, comparando com o que ela faria em uma altitude mais baixa; em outras palavras, a aeronave é mais eficiente em altas altitudes. Mau tempo e turbulência podem ser evitados, voando em um ar relativamente calmo acima das tempestades. Aeronaves que não têm pressurização e sistema de ar condicionado são normalmente limitadas a baixas altitudes.

Um sistema de pressurização de cabine deve executar várias funções, se ele foi projetado para assegurar conforto e segurança para os passageiros. Esse sistema deve ser capaz de manter uma altitude de pressão de cabine de aproximadamente 6.0 pés à máxima altitude de cruzeiro prevista para a aeronave.

O sistema também deve ser projetado para prevenir rápidas mudanças de altitude de cabine que possam ser desconfortáveis ou danosas aos passageiros e tripulantes. Além do mais, o sistema de pressurização deve permitir uma troca rápida do ar da cabine. Isto é necessário para eliminar o odor e remover o ar viciado.

Em um sistema de pressurização típico, a cabine de comando e a de bagagem são incorporadas em uma unidade selada, que é capaz de conter ar sob uma pressão maior que a pressão atmosférica externa.

O ar pressurizado é bombeado para dentro dessa fuselagem selada por super carregadores de cabine, os quais fornecem um volume relativamente constante de ar a todas as altitudes até um teto máximo.

O ar é liberado da fuselagem por um dispositivo chamado válvula de fluxo de saída. Desde que os compressores forneçam um fluxo constante de entrada de ar para a área pressurizada, a válvula de fluxo de saída, pela regulagem da saída de ar, é o elemento mais importante no sistema de pressurização.

O fluxo de ar através de uma válvula de fluxo de saída é determinado pelo grau de abertura da válvula. Essa válvula é normalmente controlada por um sistema automático que pode ser ajustado pelos tripulantes. Alguns poucos, simples e pequenos ajustes são necessários, mas a maior parte do tempo, controles automáticos necessitam apenas de monitoramento. No caso de mal funcionamento dos controles automáticos, controles manuais estão disponíveis. Um esquema de um sistema básico de pressurização é mostrado na figura 14-3.

O grau de pressurização e, portanto, a

Figura 14-3 Sistema básico de pressurização. altitude de operação da aeronave são limitados por vários fatores críticos de projeto. Basicamente a fuselagem é projetada para suportar uma máxima pressão diferencial específica de cabine. A pressão diferencial de cabine é a razão entre as pressões de ar interna e externa sobre o revestimento da fuselagem.

Se a pressão diferencial torna-se muito grande, danos estruturais à fuselagem podem ocorrer. Em adição, a pressurização é limitada pela capacidade dos supercarregadores em manter um volume constante de fluxo de ar para a fuselagem. Conforme a altitude aumenta, a pressão do ar entrando no supercarregador torna-se menor, consequentemente, o supercarregador tem que trabalhar mais para realizar sua parte no trabalho. Eventualmente, em algumas altas altitudes, os supercarregadores encontrarão seus limites de velocidade de operação, potência absorvida ou alguns outros fatores operacionais. A aeronave normalmente não voará além desses limites permitidos.

Problemas de pressurização

Existem muitos problemas técnicos com-
É necessário construir uma fuselagem ca-

14-5 plexos associados à pressurização de aeronaves. Talvez os problemas mais difíceis sejam com o projeto, fabricação e seleção de materiais estruturais, que irão suportar a grande pressão diferencial existente entre o exterior e o interior de aeronaves pressurizadas, quando voando em altas altitudes. Se o peso da estrutura da aeronave não fosse considerado, seria relativamente simples construir uma fuselagem que poderia suportar enormes pressões. paz de conter ar sobre pressão, sendo ainda leve o suficiente para permitir carregamentos lucrativos. Como regra geral, as aeronaves pressurizadas são construídas para proporcionar uma altitude de pressão de cabine de não mais que 8.0 pés, a uma altitude de operação máxima.

A pressão atmosférica a 8.0 pés é

Se uma aeronave é projetada para operação em altitudes acima de 25.0 pés, ela deve ser capaz de manter uma altitude de pressão de cabine de 15.0 pés, no caso de uma provável falha. aproximadamente 10.92 P.S.I., e a 40.0 pés ela é próxima a 2.72 P.S.I. Se uma altitude de cabine de 8.0 pés é mantida em uma aeronave voando a 40.0 pés, a pressão diferencial que sua estrutura terá que suportar é de 8,20 P.S.I. (10,92 P.S.I. menos 2,72 P.S.I.).

Se a área pressurizada dessa aeronave contém 10.0 sq.in., a estrutura dessa aeronave será submetida a uma força de explosão de 82.0 Lbs., ou aproximadamente 41 toneladas.

Do exemplo anterior não é difícil formar

Em complemento ao projeto da fuselagem para suportar essa força, um fator de segurança de 1,3 deve ser utilizado. A parte pressurizada da fuselagem terá que ser construída para ter uma resistência final de 109.060 Lbs. (82.0 vezes 1,3), ou 54,5 toneladas. uma idéia das dificuldades encontradas na projeção e construção da estrutura de uma fuselagem, que deverá ser leve e resistente o bastante ao mesmo tempo.

O sistema de pressurização e condicionamento de ar da cabine fornece ar condicionado para aquecimento e resfriamento dos espaços da cabine.

Esse ar também proporciona pressurização para manter um ambiente seguro e confortável, em adição ao condicionamento de ar da cabine.

Alguns dos equipamentos de ar condicio-

Alguns equipamentos de bordo e compartimentos de equipamentos requerem ar condicionado para a prevenção contra o super aquecimento e o conseqüente dano ao equipamento. nado, instalados em modernas aeronaves, utilizam unidades de refrigeração de ar turbinadas para fornecer ar refrigerado. Essas unidades são chamadas de sistemas de ciclo de ar. Outros modelos de aeronaves utilizam um sistema de refrigeração a gás comprimido.

A unidade de refrigeração é do tipo gás freon, quase similar em operação aos refrigeradores domésticos. Os sistemas utilizadores desse princípio de refrigeração são chamados sistemas de ciclo de vapor.

Termos e definições

O sistema que mantém as temperaturas do ar da cabine é o sistema de ar condicionado. As fontes de calor, que fazem com que o condicionamento do ar da cabine seja necessário, são:

(1) Temperatura do ar do impacto; (2) Calor do motor; (3) Calor solar; (4) Calor elétrico; e (5) Calor do corpo.

É necessário nos tornarmos familiarizados com alguns termos e definições para entender-mos os princípios de operação dos sistemas de pressurização e condicionamento de ar, como seguem:

(1) Pressão absoluta. É a pressão medida com uma escala que tem o valor zero no vácuo completo.

(2) Temperatura absoluta. É a temperatura medida com uma escala que tem valor zero no ponto onde não existe movimento molecular (-273.1º C ou -459.6º F).

(3) Adiabático. Uma palavra significando a não transferência de calor. O processo adiabático é aquele onde nenhum calor é transferido entre a substância, sendo trabalhada, e qualquer fonte externa.

(4) Altitude da aeronave. É a altura real acima do nível do mar, na qual a aeronave está voando. (5) Temperatura ambiente. É a temperatura da área imediatamente em volta do objeto sob discussão.

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