Medición de la temperatura, la circulación de aire y el ruido en las cabinas de pasajeros de trenes y aviones, en busca de un mayor confort

En el sector del transporte de pasajeros existe un desarrollo continuo orientado a mejorar las tecnologías de propulsión y a modernizar los diseños. Pero, además, cada vez se presta más atención al confort en las zonas de pasajeros. Para que los pasajeros estén cómodos, es preciso regular la climatización y los niveles de ruido y vibraciones en cabinas y otros habitáculos; eso sí, sin perturbar el funcionamiento del vehículo. Y, para ello, es necesario alcanzar —y mantener— un equilibrio adecuado, en el que influyen las condiciones ambientales externas y el funcionamiento del sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC).

¿Cómo se consigue?

Para mantener un equilibrio de temperatura adecuado, el recurso habitual es enfriar o calentar la cabina o habitáculo. El principal problema consiste en evitar que la temperatura exterior se propague al interior del vehículo a través de la estructura. En ese sentido, los guarnecidos del vehículo y el aislamiento térmico actúan como una barrera. Además, dependiendo de la posición del sistema de ventilación, la circulación de aire puede calentar o enfriar más rápida o más lentamente la zona de pasajeros. Una vez que se alcanzan las condiciones deseadas, se trata de mantener una temperatura y una circulación de aire que resulten uniformes y agradables en todo el espacio que ocupan los pasajeros.

No obstante, el confort de los pasajeros también se ve influido por los niveles de ruido, que deben ser aceptables. En ese sentido, las medidas de ruido y vibraciones desempeñan una función importante a la hora de validar el confort de una cabina.

Cómo conseguir un confort ideal en una cabina de pasajeros: simulación y ensayos físicos

A los pasajeros les gusta que, en la cabina, haya unas condiciones uniformes durante todo el viaje y unos niveles de ruido aceptables. Lo ideal es que el sistema HVAC regule la circulación de aire —es decir, la entrada de frío, calor y humedad— sin introducir ruido. Por otro lado hay que tener cuenta que, aunque el "confort" tiene unos criterios objetivos comunes, también es algo muy subjetivo. Por eso los fabricantes permiten que los pasajeros hagan ajustes individuales de la climatización para un mayor confort personal.

Para desarrollar un sistema de climatización ideal y optimizar la climatización de la cabina, hay una serie de pasos típicos durante la fase de I+D y las pruebas. Una vez que se desarrolla un diseño, se recurre tanto a la simulación como a los ensayos físicos parar analizar los efectos de un sistema HVAC en el entorno de la cabina de pasajeros.

Hay tres métodos esenciales para desarrollar y someter a ensayos el confort de una cabina:

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Cómo entender y mejorar la climatización de la zona de pasajeros

Cada vez que se hace un nuevo diseño de la zona de pasajeros de un avión o un tren (o se moderniza un diseño ya existente), se presta una gran atención al confort y la salud de los pasajeros. El objetivo es que la climatización sea óptima (circulación de aire, temperatura, humedad, presión), que el ruido en el interior sea aceptable y que el aire esté fresco y limpio, por el bien de los pasajeros y para cumplir la normativa sobre CO2.

Para garantizar un clima agradable en una cabina de pasajeros, el sistema HVAC debe tener en cuenta una serie de variables:

  • Temperatura y humedad exteriores
  • Radiación solar directa que reciben los asientos de ventana
  • Fuentes de calor en el interior de la cabina
  • Flujo de aire desde el exterior y a través de las salidas del sistema de climatización
  • Temperatura y humedad en el interior de la cabina de pasajeros y su distribución (sobre todo a la altura de la cabeza y de los pies)

Para que los viajes resulten confortables, es fundamental encontrar un equilibrio perfecto entre todos estos parámetros climáticos (y también acústicos). Y, para ello, hay que optimizar los diseños prestando atención a múltiples atributos, por supuesto empleando una cantidad mínima de materiales que produzca un efecto máximo.

Simulación mediante dinámica de fluidos computacional (CFD)

Las simulaciones numéricas del flujo de aire, que sirven para estudiar la transferencia de calor en cuerpos sólidos y la convección en torno a estructuras y pasajeros, combinan dos técnicas: simulaciones de flujo mediante CFD y cálculos FEA (análisis de elementos finitos) de los aspectos térmicos.

A partir de esta información, es posible simular y analizar los efectos del sistema HVAC en el entorno de una cabina de pasajeros para determinar, por ejemplo, cuánto tiempo se tarda en enfriar la cabina, cuál es la distribución de temperatura del aire y de las estructuras, y cuáles son las velocidades de circulación del aire.

Estos resultados pueden utilizarse para analizar el rendimiento del sistema HVAC y cuantificar el grado de confort, con el fin de optimizar el clima de la zona de pasajeros para obtener el máximo nivel de confort posible.

RUAG AG: un especialista en análisis de circulación del aire

La empresa suiza RUAG es un cliente y socio de HBK que suministra y explota túneles de viento. En este tipo de instalaciones, se registran, procesan y evalúan datos de medida de alta calidad con la ayuda de distintos productos de HBK.

Cuando las pruebas en túnel de viento no bastan, los datos experimentales pueden complementarse con simulaciones CFD (dinámica de fluidos computacional), que permiten analizar procesos físicos en detalle. Las simulaciones numéricas se emplean en un amplio espectro de aplicaciones, como la interacción fluido-estructura (FSI) dinámica, y son muy útiles para realizar estudios preliminares de configuración.

Más información acerca de RUAG

Ensayos físicos del flujo de calor y la circulación de aire

Los ensayos físicos empiezan en cuanto existe un primer prototipo del interior de la cabina que puede someterse a un programa de pruebas físicas de validación.

Se trata de experimentos en cámaras climáticas, en donde se simulan las condiciones del mundo real. Pensemos, por ejemplo, en las pruebas que se hacen a los aviones: los aviones suben a varios miles de metros de altitud y, durante un vuelo, la temperatura exterior puede pasar de -60 °C a +50 °C. Durante este tipo de pruebas, también se introducen variaciones en la humedad, se recrea un "sol artificial" y se prueban distintos modos de funcionamiento del sistema de climatización.

En estos ensayos, se instala en el interior de la cabina una red formada por varios centenares de sensores, que se encargan de medir la temperatura, la humedad, la presión y el flujo de aire, a los que se suman cámaras térmicas de infrarrojos.

Un ensayo físico pueden durar horas o incluso días, ya que el entorno del ensayo (la cámara climática) puede ser muy grande, lo que implica unos tiempos significativos de control y compensación de la temperatura.

Los procesos de ensayo exigen equipos de medida fiables y estables, capaces de adquirir datos procedentes de distintos tipos de sensores de manera fácil y flexible. Para obtener información de alta precisión en estos ensayos, los datos deben registrarse sin necesidad de supervisión, empleando sistemas DAQ capaces de soportar las condiciones extremas de la cámara climática. Uno de esos equipos de adquisición de datos es SomatXR, de HBK. En los ensayos con un alto número de canales, los equipos DAQ se complementan con herramientas de posprocesamiento que facilitan la extracción, la visualización y el análisis de grandes volúmenes de datos de medida.

Análisis acústico

El ruido y las vibraciones también afectan al confort de una cabina de pasajeros. Los niveles de ruido que se marcan como objetivo, por ejemplo, cuando se diseña un nuevo avión, no se basan únicamente en simulaciones. También se requieren ensayos físicos, medidas y análisis de cabinas reales. Los datos que se obtienen en los ensayos físicos se transforman en niveles de propulsión, niveles sonoros generales o inserción de materiales de aislamiento acústico en el fuselaje.

En lo que respecta al ruido interior de una aeronave, cada fabricante tiene sus propios criterios; no existen reglamentos o normas estrictas. Por supuesto, hay que tener en cuenta el tipo de propulsión empleado (turbina a reacción, turbohélice, aeronave eléctrica), ya que cada uno tiene un patrón de ruido característico.

En la modelización acústica, al igual que en los ensayos físicos, los ingenieros necesitan entender cuáles son las rutas de propagación y la distribución del ruido desde la fuente exterior hasta el interior. Un flujo de aire turbulento genera en la cabina un ruido de banda ancha, que se convierte en el factor más dominante. A la vista de toda esta información, se puede ajustar el aislamiento, para conseguir el mejor compromiso posible entre ruido, clima térmico, peso y coste. El espectro se analiza mejor durante las pruebas en tierra, pero también forma parte de las pruebas de vuelo.



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El software catman Enterprise permite visualizar y adquirir toda clase de datos físicos.
Todos los datos pueden emplearse para optimizar el sistema de climatización de la cabina y refinar los modelos de simulación.

Cámara acústica

La cámara acústica de HBK combina un array de micrófonos y un sistema DAQ LAN-XI. Permite realizar medidas, adquirir datos e identificar fuentes de ruido de forma fiable.

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