Sistema De Oxigeno

CÁTEDRA DE SISTEMAS Y EQUIPOS FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS, FÍSICAS Y NATURALES UNIVERSIDAD NACIONAL DE CÓRDOBA

CAPACIDAD DE SUMINISTRO DE LOS SISTEMAS DE OXIGENO

ING. JORGE O. GARCÍA Córdoba, 1995

Requerimientos del sistema Los sistemas de suministro de oxígeno deben satisfacer los siguientes requerimientos de las Normas, que dependen del tipo y misión del avión:

Tipo de aeronave

Requerimientos

Caza

Debe poder suministrar oxígeno suficiente a la tripulación para cumplir con el perfil de la misión de vuelo proyectada del avión. Incluido si corresponde el aumento del radio de acción.

Bombardero

Debe poder suministrar oxígeno suficiente a la tripulación para satisfacer la mayor de las siguientes condiciones: a) Abastecer el 75% del perfil de la misión de vuelo proyectada del avión. Incluido si corresponde el aumento del radio de acción como en el punto 1). b) Abastecer de oxígeno para satisfacer el tiempo total en que la cabina esté a una altura superior a los 8000 pies (2400 m) del perfil de la misión proyectada del avión. Incluido si corresponde el aumento de radio de acción, y suponiendo que la operación se realiza con la cabina presurizada.

Transporte

El sistema de tripulantes debe suministrar suficiente oxígeno para satisfacer el 50% del perfil de la misión de vuelo proyectada del avión con la cabina sin presurización.

El sistema de pasajeros debe ser uno de flujo continuo permanentemente instalado capaz de suministrar oxígeno al número máximo de pasajeros para el 50% del perfil de la misión de vuelo proyectada del avión. Los cálculos de consumo se basarán para una altura de cabina de 25000 pies (~7500 m).

Número de convertidores necesarios para el sistema de LOX A menos que se especifique otra cosa, los convertidores de un sistema deben ser del mismo tamaño y de igual presión de trabajo. La cantidad de los mismos necesaria para ser instalada en un avión se determina por la siguiente fórmula:

C=

b

N R 1T1 + R 2 T2 + ...... + R n Tn

g

Q

donde: N

Número de tripulantes y pasajeros

R

Caudal en litros/hr, requerido por cada tripulante a cada altura especificada del perfil de la misión de vuelo del avión. Sus valores están especificados en las tablas 12, 13 y 14.

T

Tiempo máximo de vuelo del avión en horas, a cada altura especificada, del perfil de la misión de vuelo.

Q

Cantidad de oxígeno en litros que cada convertidor puede suministrar, luego de 24 hs de espera después de la carga. Los valores de Q se indican en la Tabla 11.

Condiciones en que debe ser suministrado el oxígeno líquido

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El flujo especificado de oxígeno en estado gaseosos se suministra a las temperaturas de +5°C y -10°C (+10°F y 20°F) de la temperatura ambiente de la cabina y a una presión no menor de 55 psi (3.8 kgf/cm²) al regulador de cada miembro de la tripulación.

Cálculos de consumo Los cálculos de consumo y por ende de autonomía de la carga, son simples y dependen de: ∗ Tipo de sistema (líquido o gaseoso). ∗ Tipo de reguladores (a flujo continuo, a demanda 100% de oxígeno, y a demanda con dilución). ∗ Alturas de vuelo previstas. ∗ Número de usuarios. ∗ Duración del vuelo a las distintas alturas. ∗ Actividad de las personas a bordo (intensa, moderada, en reposo). Para el cálculo debemos considerar los siguientes casos: 1) Se dispone de las tablas del avión en particular Los manuales de vuelo de cada tipo de avión deben contener las tablas de duración mostrando las diversas combinaciones posibles, indicando las horas disponibles de acuerdo a la altura y posición de los reguladores. Dividiendo el número de horas que puede suministrar el sistema de acuerdo a su carga y modo de empleo, por la cantidad de usuarios, se tendrá la autonomía del sistema. Cada circuito independiente, tripulantes y pasajeros, deben tener sus propias tablas. La forma de presentar estas tablas está especificado por las normas MIL M-7.700-A. La tabla 15 sirve como ejemplo de lo anterior, la misma corresponde al avión C-130. Con las tablas, el cálculo es muy sencillo. Como demostración considérese el siguiente ejemplo: • La cantidad disponible de oxígeno líquido en un avión C-130 es de 48 litros (suma la lectura de los indicadores de los dos convertidores). Si la tripulación se compone de 10 personas y se prevee volar a 20000 pies de altura de cabina (6000 m), con los reguladores en posición normal, cuál será la autonomía del sistema con esta carga? De la tabla 15 se tiene que para 20000 pies de altura, regulador en posición normal y 48 litros de oxígeno se tiene: 208 horas/hombre. Como los usuarios son 10 se tendrá: 208/10 = 20,8 horas de duración. • Qué cantidad de oxígeno se debe disponer en un C-130 para intentar la siguiente misión? • Altura 15000 pies (4500 m) de cabina. • Cantidad de tripulantes 9. • Horas de vuelo 8 hs. 30 minutos De la tabla 16 se tiene que para una altura como la pedida y regulador en posición normal se necesitan 0,19 litros por hora por hombre, al poner el regulador en posición 100% la necesidad es de 0,532 litros por hora por hombre. Entonces la cantidad de litros requerida es: Q=qNt donde: q caudal necesario en litros por hora por hombre N número de personas t tiempo de vuelo En el primer caso, con regulador normal, se tiene: l * 9 hom bres * 8, 5hs = 15litros LOX Q N = 0, 19 hr .hom bre En el segundo caso, con regulador al 100%, resulta: l Q100 = 0 , 532 * 9 hom bres * 8, 5hs = 40litros LOX hr .hom bre 2) No se dispone de las tablas del avión en particular El problema consiste en determinar cuanto oxígeno gaseoso disponemos y cuantos litros es lo que consume cada persona; de acuerdo a las condiciones de empleo y altura, se tendrá la duración. Para satisfacer esta última parte se

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dispone de las tablas de consumo dadas por las normas. Las tablas 12, 13 y 14 agregadas al final del presente tomo1 han sido extraídas de la norma MIL D-19326-E, y se refieren: ∗ ∗ ∗ ∗

Tabla 12, 2da columna: consumo usando reguladores a demanda en posición normal (con dilución). Tabla 12, 1ra columna: consumo utilizando reguladores a demanda en posición 100% de oxígeno. Tabla 13: consumo utilizando reguladores a flujo continuo. Tabla 14: consumo usando traje a presión y casco.

El criterio de cálculo respecto a los sistemas de pasajeros, es que si el avión está volando arriba de los 25000 pies (6500 m), en el caso de una brusca descompresión, el avión debe descender a los 25000 pies para continuar el vuelo. Luego el cálculo de consumo para pasajeros debe ser realizado para una altura de cabina de 25000 pies.

Determinación de la cantidad de oxígeno gaseoso disponible Se debe considerar si el oxígeno se encuentra en estado gaseoso o líquido: 1) Oxígeno almacenado en botellones a una cierta presión En este caso se desea determinar que cantidad de oxígeno gaseoso se obtendrá de un botellón a la presión y temperatura normal. En general los cilindros traen leyendas como la siguiente: Breathing oxygen Cylinder oxygen low pressure type F-1 Spec. Mil C-5888 (USAF) Internal volume 1000 cu.in. Available oxygen from 400 to 50 psi is 13,8 cubic feet Estas leyendas especifican que se trata de un cilindro de baja presión tipo F1 que tiene un volumen interno de 1000 pulgadas cubicas y que es capaz de suministrar 13,8 pies cúbicos de oxígeno gaseoso desde una presión inicial de 400 psi (28 kg/cm²) hasta una final de 50 psi (3,5 kg/cm²). Esta última presión es denominada presión remanente, que debe quedar en la botella para evitar el vaciado total. Llevando estos valores al sistema métrico tendremos: Vi = 1000 cu in = 0,578 pies3 = 16,387 litros El volumen de oxigeno que suministra desde 400 psi a 40psi será: 13,8 pies3 = 390 litros de oxígeno gaseoso Si deseamos saber el tiempo que podrá ser abastecido un tripulante con regulador a demanda en la posición 100% de oxígeno, volando a 20000 pies de altura (6000 m) de cabina2, se tendrá de la tabla 12: q = 326 litros/hs por lo tanto, la duración total será superior a una hora. Por supuesto que a cálculos como estos deberá tomarse una seguridad por posibles defectos menores en el sistema, para lo cual el consumo se considera un 20% mayor. 2) Caso en que el cilindro no indica la cantidad de oxígeno capaz de suministrar En este caso es necesario conocer dos datos: ∗ El volumen interno de la botella. ∗ La presión indicada por el manómetro. Considérese el siguiente ejemplo: Qué cantidad de oxígeno se puede obtener de un botellón cuyo manómetro indica 2400 psi si su volumen interno es de 0.4 litros?. Haciendo abstracción de las influencias de la tempreatura y aplicando la ley de Boyle-Mariotte se tendrá:

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Las tablas de consumo suponen una actividad normal, si el trabajo a bordo es muy intenso el consumo aumenta apreciablemente (50-60% de mas) mientras que si se está en reposo, el consumo se puede reducir a la mitad. 2 La altura de cabina es igual a la altura de vuelo para los aviones presurizados. Capacidad de Suministro de los Sistemas de Oxígeno Página 3

p1V1 = p 2 V2

V2 =

p1 2350 psi 0 , 4 litros = 66 litros V1 = 14 , 2 psi p2

donde: p1

Presión dada por el manómetro menos la remanente: 2400 psi -50 psi

p2

Presión final igual a 1 atmósfera = 14,2 psi.

V1

Volumen interno de la botella

V2

Volumen final de oxígeno gaseoso a la presión normal. Para saber el tiempo que podrá satisfacer este volumen de oxigeno gaseoso, debemos conocer como y a que altura

será utilizado. Por ejemplo, si es empleado con un regulador al 100% de oxígeno y a una altura de 25000 pies (7600 m) la tabla da un consumo de 4,5 litros/min, por lo cual podrá suministrar oxígeno durante un tiempo de 15 minutos. Si los usuarios son dos personas, el tiempo será por lógica la mitad. 3) Para LOX En todos los cálculos con LOX se deben tener en cuenta dos premisas: ∗ El factor de conversión de líquido a gaseoso es 860. Es decir un litro de LOX proporciona 860 litros de oxígeno gaseoso en condiciones de presión y temperaturas normales. ∗ Los convertidores tienen una pérdida de líquido permanente, cuyos valores máximos admitidos están especificados por las tablas. Pero si se desea un cálculo exacto, el mismo debe realizarse para cada convertidor en particular. ∗ Al efectuar los cambios se considera que el convertidor se carga 2 hs 30 min antes de su empleo. Considérese el siguiente ejemplo: Se supondrá que la instalación funciona correctamente y no existen fugas. Avión: Altura de vuelo: Número de tripulantes: Número de pasajeros: Sistema de tripulantes: Sistema de pasajeros: Capacidad: Duración del vuelo: Actividad de los pasajeros:

XX sin cabina presurizada 6000 m 2 4 a demanda continuo 1 convertidor de 10 litros, completo antes del despegue 6hs. 30 min de moderada a reposo

1) Cantidad de oxígeno teórico disponible 10 litros x 860 = 8600 litros de oxígeno gaseoso 2) Pérdidas por evaporación Si consideramos el máximo admisible será una pérdida de 1,25 litros en 24 hs., es decir: (1,25 x 860)/24 hs = 45 litros/hs Especulando que el convertidor ha sido llenado 2hs. 30 min. antes de su empleo (2 hs. previo al despegue y 30 minutos para la trepada) y previendo una duración total del vuelo de 6 hs. 30 min, se tendrá: 2hs + 0,5 hs + 6 hs + 0,5 hs = 8,5 hs Luego, las pérdidas hasta finalizar el empleo del oxígeno serán: 45 x 8,5 = 382,5 litros 3) Oxígeno disponible Capacidad de Suministro de los Sistemas de Oxígeno

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Cantidad teórica - pérdidas = 8600 lts - 382,5 lts = 8200 litros (aproximadamente) 4) Consumo de oxígeno 1. Tripulantes: a 6000 m se tiene un caudal de q1 = 176 lts/hr a demanda en normal (Tabla 12). 2. Pasajeros: a 6000 m se tiene un caudal de q2 = 119 lts/hr continua (Tabla 13). 5) Consumo de tripulantes q1 x 2 x 6,5 = 176 x 2 x 6,5 = 2288 lts 6) Consumo de pasajeros q2 x 4 x 6,5 = 119 x 4 x 6,5 = 3094 lts 7) Consumo total Tripulantes + pasajeros = 2288 lts + 3094 lts = 5382 lts 8) Capacidad remanente 8200 lts - 5382 lts = 2818 lts 2818 lts/860 lts = 3,27 lts LOX

Trabajo práctico

∗ Para el avión bajo análisis, realizar el diseño de un sistema de oxígeno según los siguientes requisitos: ∗ Se tendrá un sistema con dilución a demanda para la tripulación y caudal constante para pasajeros. Emplear las fotocopias de folletos que se encuentran en la Biblioteca del Departamento para la selección de máscaras, lanzadores de máscaras, etc. para el mismo. ∗ Diseño del Recipiente de presión para almacenamiento de oxígeno. Cálculos y planos respectivos. El diseño se podrá basar en alguno de los cilindros incluídos en las tablas. ∗ Seleccionar los diámetros de las cañerías de distribución y su torque según tablas adjutas. ∗ En el caso de seleccionar un sistema con LOX, calcular las longitudes mínimas para garantizar la evaporación del mismo. ∗ Realizar una vista en planta y una lateral del fuselaje de la aeronave indicando la ubicación del sistema de oxígeno, las cañerías de distribución y la ubicación de las máscaras. ∗ Calcular las tablas de consumo de oxígeno y autonomia del mismo para la aeronave, tal como las que se adjuntan para el avión C-130.

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Propiedades Físicas del oxígeno Oxígeno Gaseoso Inodoro, Incoloro, Insípido, No tóxico, Químicamente estable, No inflamable. Peso Molecular: Peso Teórico de 1 m3 a 0ºC y 760 mm Hg Peso Efectivo de 1 m3 a 0ºC y 760 mm Hg Densidad Relativa al aire Constante del gas Calor específico por Kg a 20ºC y 1 kg/cm2

32 1,4276 kg 1,4289 kg 1,105 26,50 Kgm/ºK Kg Cp = 0,218 Cv = 0,158

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Trabajo Práctico Para el avión bajo estudio proponer un sistema de oxígeno, indicando: 1. Misiones que cumplirá el avión (perfiles de vuelo más comunes). 2. Tipo de sistema de oxígeno (LOX o gaseoso). 3. Tipo de máscaras para uso de la tripulación y pasajeros. 4. Tipo y ubicación de las cañerías de distribución en planos de la aeronave 5. Diseño del Recipiente de presión para almacenamiento de oxígeno. Cálculos y planos respectivos.

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1.

La cantidad disponible de LOX en un avión C-130 es de 25 l, si la tripulación se compone de 10 personas y se prevee volar a 15000 pies de altura de cabina, con los reguladores en posición normal, ¿cuál será la autonomía del sistema con esta carga?

2.

¿Qué cantidad de Oxígeno Líquido se debe disponer en una aeronave C-130 para intentar la siguiente misión? Altura: 30000 pies de cabina Cantidad de tripulantes: 25 Horas de Vuelo: 5 hs 10 min.

3.

Un avión de pasajeros, del cual no se poseen las tablas de consumo de Oxígeno, efectuará el siguiente vuelo: Altura: 40000 pies Cantidad de Tripulantes: 3 Cantidad de Pasajeros: 150 Horas de Vuelo: 4 hs 30 min Determinar la cantidad de Oxígeno Líquido que deberán disponer los contenedores.

4.

Un contenedor de Oxígeno posee la siguiente leyenda:

Breathing Oxygen Cylinder oxygen low pressure type G-1 Spec. Mil C-5888 (USAF) Internal Volume 2.100 cu. in. Available oxygen from 400 psi to 50 psi is 29 cubic feet Determinar su autonomía al abastecer a un tripulante con regulador a demanda en posición normal, volando a 30.000 pies de altura. 5.

Considerando que 1 litro de LOX rinde 360 litros de Oxígeno Gaseoso, y que las pérdidas admisibles en un recipiente de LOX son de 1,25 l cada 24 horas, calcular : la cantidad de oxígeno teórico disponible, las pérdidas por evaporación durante el almacenaje y el vuelo, el consumo de oxígeno de los tripulantes y pasajeros, el consumo total y la capacidad remanente que se producirían en un vuelo con este tipo de convertidor: Los datos referentes al vuelo son: Altura de vuelo: 15000 pies Número de tripulantes: 3 Número de pasajeros: 200 Sistema de tripulantes: a demanda Sistema de pasajeros: continuo Capacidad: 3 convertidores de 10 litros, completos antes del despegue Duración del vuelo: 5 hs 20 min Altivada de los pasajeros: de moderada a reposo Tiempo de almacenaje del convertidor antes de su empleo: 3 hs 15 min En caso de resultar insuficiente el sistema, proponer uno alternativo.

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