DOS mejor que CUATRO. [EL RENDIMIENTO - II]

El último día se publicaba un título homólogo sobre el tema del “rendimiento”. En aquella ocasión se hacían algunas consideraciones sobre rendimiento en el consumo de combustible para las instalaciones de calefacción, justificando la ventaja de disponer dos calderas combinadas, para permitir una respuesta mejor modulada, en unas condiciones de demanda variable, para un sistema de combustión del tipo “todo o nada”.

Hoy vamos a revisar algunas consideraciones sobre el número de motores en los aviones de pasajeros, que justifican la generalización de DOS motores en la mayoría de los aviones, que pueden verse en los últimos años, la cual también responde una cierta lógica del rendimiento o la eficiencia de uso, aunque por un tipo de razones, que inicialmente no resulten demasiado evidentes.

LA SEGURIDAD en el VUELO

Dentro de la regulación de seguridad en los aviones de pasajeros, existe un requisito básico, que responde a una lógica elemental y en última instancia condiciona los resultados. Este requisito es la condición indispensable de que cualquier avión de varios motores, debe soportar el fallo completo de uno de ellos, en cualquiera de las posibles circunstancias de vuelo, ya sea el despegue, aterrizaje, crucero, etc.

Este requisito naturalmente es completamente indispensable y en pura lógica indiscutible. En base a ese requisito es precisos concebir y establecer la configuración del avión desde sus fases iniciales de diseño, en relación con el número de motores y naturalmente la potencia y sus dimensiones adecuadas.

Naturalmente otra de las condiciones básicas cuando se proyecta un avión de pasaje, es que el consumo de combustible esté razonablemente ajustado por una buena eficiencia, para que los costes de operación de sus futuros clientes, sean competitivos y rentables. Esta consideración sin embargo, es totalmente secundaria en el ámbito de la aviación militar, ya que la operación de los aviones depende de requisitos completamente diferentes de la rentabilidad comercial.

EL PANORAMA ACTUAL

Si observamos el panorama de un aeropuerto en la actualidad podemos ver que proliferan notablemente los aviones con dos motores bastante voluminosos bajo las alas, aunque también hay una presencia considerable de aviones con cuatro motores, sobre todo los frecuentes Boeing 747 y actualmente los A-380, pero sin embargo estos dos modelos tienen una peculiaridad como es el tamaño, ya que destacan por ser los aviones de máxima capacidad.

Hace ya bastantes años era mucho más frecuente ver aviones con cuatro motores bajo las alas, especialmente aquellos que hacían vuelos transoceánicos o de mayor radio de acción, y los de dos motores, que muchas veces se disponían en cola, adosados al fuselaje, se empleaban en aviones algo más reducidos y de corto o medio radio de acción.

También hubo una época a finales de los 70s en la que proliferan disposiciones de tres motores con cabina ancha, como los DC-10 y  Lockheed 1011 en aviones de largo radio, pero es cuando se afianza el éxito de AIRBUS en los 80s, cuando se generaliza la configuración de dos motores, también para aviones de largo recorrido.

LA POTENCIA

La elección de la potencia para los motores de un avión, es una decisión que se adopta en las fases iniciales de proyecto, cuando se configura el conjunto de requisitos que debe cumplir, para competir con sus rivales en función del panorama comercial. El requisito básico es una cuestión técnica vinculada al número de motores, dado que la suma total de potencia es la que asegura las prestaciones del avión, o su capacidad de despegue y aterrizaje junto a las velocidades y altitud, máximas o de crucero.

Una vez establecida la cuantía de potencia máxima “P”, que deben proporcionar los motores del futuro avión, es cuando procede hacer diversas consideraciones sobre el número de motores que es conveniente adoptar. Lógicamente cuanto mayor sea el número de motores, más se reduce la potencia unitaria de cada uno, P/2 o bien P/4, P/6 .. /8 etc. No obstante en este punto es preciso añadir el requisito de seguridad previamente establecido, lo que equivale repartir de forma homogénea, la potencia total entre el número total de motores menos uno [N-1]. P, P/3, P/5 .. /7.

Esto supone que un avión con solo dos motores necesita que cada uno de ellos disponga de toda la potencia “P” necesaria para asegurar el vuelo del avión en cualquier circunstancia. Por otra parte un avión con una configuración de cuatro motores, necesita que cada uno de ellos tenga una potencia de: P/(N-1), es decir de P/3, o lo que es lo mismo un tercio de la potencia total P.

LA VUELTA DEL ESPEJO

Una vez que ya hemos adoptado la “dimensión” de cada motor, vamos a considerar el régimen de potencia a la que tienen que operar en cada caso a lo largo de su vida útil.

En el primer caso, para un avión con solo dos motores, tenemos que cada uno de ellos dispone de una potencia máxima unitaria igual a P, que es la necesaria para mantener en vuelo el avión aunque el otro estuviera apagado, pero como normalmente funcionan los dos al mismo régimen por una cuestión de simetría elemental, tenemos que en este caso la vida útil del motor se desarrolla con este trabajando al 50% de su potencia teórica, y del mismo se deriva tanto el consumo de combustible, como el desgaste interno de las piezas y el mantenimiento correspondiente.

En el caso del  avión con cuatro motores, lógicamente funcionando todos al mismo régimen de potencia, tenemos que cada uno debe proporcionar P/4, o bien un 25% de toda la potencia necesaria. Si lo comparamos ahora con la potencia unitaria de cada motor, que ya habíamos establecido anteriormente como P/3, nos damos cuenta de que al comparar el régimen de operación normal, los motores en este caso se pasan su vida útil, a un régimen del 75% de su potencia teórica, o lo que es lo mismo (P/4):(P/3).

Lógicamente un motor trabajando normalmente en el entorno del 50% de su potencia teórica tiene una primera ventaja, al reducir los desgastes respecto a uno que opera al 75%, pero además tiene la ventaja adicional de que cada kilogramo de combustible se quema con mejor eficiencia y rendimiento, lo cual supone que al final de cada vuelo el avión con solo dos motores, ha quemado menos kilogramos de combustible que un avión de cuatro motores.

En el caso de aviones de cuatro motores, que actualmente se mantienen en uso, lógicamente hay que considerar que estos son precisamente los aviones de “mayores” dimensiones, (B-747 y A-380) y que ambos superan las 250 toneladas en el despegue, por lo que se desborda el límite práctico de poder operar con “un solo motor”, de acuerdo con la condición de seguridad necesaria, si fueran sustituidos por configuraciones de dos motores.

DOS mejor que UNA. [EL RENDIMIENTO - I]

El título del tema actual, se formula inicialmente alrededor de una relativa ambigüedad, ya que no se menciona el objeto subyacente, pero la verdad es que se refiere a algo muy concreto. Este tema, se debe completar con otro título: “DOS mejor que CUATRO”,  con el que se desarrollan bajo la idea del “rendimiento”, algunas circunstancias y consideraciones sobre objetos más o menos cotidianos, aunque  de índole muy diferente.

En el primer caso se trata de una referencia  a las “calderas de calefacción”, y en el segundo caso al “número de motores” en un avión de pasajeros. En ambos casos se trata del “rendimiento” o “eficiencia energética”, que actualmente se encuentra de moda, ya que en el ámbito de la arquitectura, con la entrada en vigor de nuevas disposiciones sobre los certificados de eficiencia energética, tiene una gran relevancia.

Rendimiento y eficiencia.

Cuando es necesario considerar o evaluar el “rendimiento” en una instalación de calefacción, no basta con establecer las condiciones de confort que es capaz de  mantener la instalación respecto a unas condiciones adversas,  sino que también es preciso evaluar el consumo del combustible necesario para mantener esas condiciones a lo largo de un determinado periodo de tiempo, que se toma como referencia.

En el ámbito de la edificación, la práctica normal se limitaba solo a la primera de las dos consideraciones, haciendo un cálculo o estimación de las  “cargas” que soporta el sistema en el momento más desfavorable, y con arreglo a esos valores se determinan la potencia máxima de la caldera, los caudales, diámetros y la capacidad de todos los elementos que forman el conjunto.

Sin embargo para considerar el “rendimiento”, este ya no depende solo de las condiciones más desfavorables en un determinado momento, sino que además es necesario hacer estimaciones concretas a lo largo de un periodo prolongado (normalmente un ciclo anual completo), determinando que fracción de la potencia disponible es necesario aplicar en cada momento, y de esa forma deducir el gasto acumulado de combustible, que lógicamente depende del comportamiento del edificio en su conjunto:  volumen total, forma, orientaciones y soleamiento, aislamientos,  ventilación y naturalmente el régimen de utilización y el comportamiento de la instalación, además de la variación estadística en las condiciones externas o climáticas a lo largo de todo el periodo.

Este tipo de cálculo es particularmente extenso y repetitivo, ya que supone ir evaluando sistemáticamente en intervalos regulares, unas condiciones exteriores concretas, y en función de ello, las pérdidas de calor en cada superficie o paramento que configura los espacios del edificio, anotando ordenadamente la energía que hay que añadir desde el sistema de calefacción a lo largo de todo el periodo. Obviamente ese cálculo solo tiene sentido mediante una herramienta informática, que permita hacer una “simulación térmica”  completa sobre las características de cualquier  edificio.

CONSIDERACIONES GENERALES

Una de las primeras consideraciones básicas en el rendimiento de los sistemas de calefacción,  es la del tamaño de la instalación, ya que los rendimientos propios de cualquier caldera de combustión, habitualmente mejoran con el tamaño y la potencia de la misma, aunque no obstante es preciso distinguir claramente la mejora del rendimiento que puede suponer una instalación de mayor potencia, de lo que representa el propio “volumen” o espacio que se quiere calentar, y además de ello, su factor de forma.

Sobre la incidencia del volumen a calentar,  es preciso considerar que para mantener una temperatura estable en un determinado volumen, resulta necesario añadir la energía suficiente para compensar la constante pérdida de calor que se produce a través de las superficies de delimitan dicho volumen. Lógicamente las pérdidas de calor son proporcionales a las superficies, pero sin embargo el calor acumulado en el interior es proporcional al propio volumen, por lo que la relación entre ambos parámetros, se va incrementando paulatinamente con el tamaño absoluto, contribuyendo a diluir la importancia relativa de las pérdidas de transmisión, respecto a otro tipo de cargas como el arranque inicial o las cargas de ventilación.

Además del volumen del espacio a calentar, también es preciso considerar su “factor de forma”, entendido como el cociente de dividir el volumen del recinto por la superficie que lo delimita, pero considerado como una relación diferente de la anterior, relativa al volumen absoluto.  Para entender esta nueva diferencia, es preciso considerar dos figuras que tengan el mismo volumen pero distinta forma. En primer lugar consideramos un volumen regular, como por ejemplo un “cubo” que tenga 10m de arista. Esto supone que su volumen son (10x10x10 = 1.000 m3) y por otro lado la superficie de cada cara, será de (10x10 = 100 m2) y la superficie total, dado que tiene seis caras, 600 m2. En segundo lugar consideremos una figura con el mismo volumen pero de forma mucho más esbelta o alargada, como por ejemplo un prisma recto de (4 x 5 x 50m).  En este caso el volumen será el mismo (1.000m3), paro sin embargo la superficie de sus caras suma un valor de 940 m2 que como vemos supera en más de vez y media la del caso anterior.

LA INSTALACION

Para calentar un edificio, lo habitual es  dotarlo con la instalación de “UNA CALDERA” en la que se va a quemar el combustible necesario. Su tamaño se ajusta evaluando las cargas o pérdidas de calor que puedan producirse en el momento o circunstancia más desfavorable.  De esta forma se asegura la disponibilidad de potencia suficiente en todo momento.  No obstante si lo que preocupa es el “rendimiento” del sistema, es necesario hacer un análisis algo más profundo, considerando también otras circunstancias relativas al funcionamiento continuado de la caldera a lo largo de su vida útil.

En primer lugar hay que considerar que las calderas más grandes tienen mejores rendimientos que las pequeñas. Sus diseños están más ajustados y las propias condiciones de una combustión mayor y más enérgica son más eficientes, no obstante también se debe considerar que para una caldera más grande, las pérdidas absolutas que suponen los procesos de arranque y parada, son también proporcionalmente mayores.

Por otra parte el rendimiento propio de las reacciones químicas dentro de una combustión, requiere que estas sean estables y uniformes en el tiempo, ya que oscilaciones o cambios en el flujo de combustible, producen desajustes en las reacciones químicas que paulatinamente tienen que volver a recuperar la estabilidad. Por otra parte cualquier caldera que funcione a una carga parcial de potencia del 50% por ejemplo, tendrá que soportar las pérdidas de de calor necesario para mantener a la temperatura adecuada, tanto las inercias de la propia caldera, como los objetos auxiliares y sus accesorios, que en esa circunstancia estarían lógicamente sobredimensionados.

Si ahora hacemos algunas consideraciones más sobre el modo en que se utiliza un sistema de calefacción, en primer lugar esta no tiene un uso permanente, ya solo se utiliza durante la mitad del año. Por otra parte a lo largo del periodo de utilización, la demanda de potencia tampoco es uniforme, ya que el máximo solo va a ser requerido en unos pocos días especialmente crudos del invierno. Por otra parte también debemos considerar las variaciones a lo largo del día que pueden producir fácilmente oscilaciones de más de diez grados en la temperatura exterior.

Naturalmente la respuesta del sistema tiene que estar modulada en función de las variaciones o demandas, y para evaluar el rendimiento tendremos que hacer una estimación  estadística de esas variaciones en cada localidad o emplazamiento, añadiendo otras condiciones locales como el soleamiento. Por otra parte si pensamos que el funcionamiento óptimo de una caldera, debe ser en régimen de todo o nada, el recurso disponible para modular la potencia, es la de hacer funcionar la caldera a régimen completo, pero solo durante los  intervalos de tiempo proporcionales a la potencia requerida, y eso nos lleva irremisiblemente a incrementar las pérdidas por arranque y parada, que además se acentúan con el tamaño de la instalación.

Lógicamente si en un sistema de cierto tamaño, disponemos “DOS calderas con la mitad de la potencia, en lugar de UNA sola”, y automatizamos un funcionamiento combinado de forma que cada vez arranque una caldera distinta repartiendo los  desgastes,  podemos conseguir que con una sola caldera de la “mitad” de potencia, se cubra la mayor parte del tiempo de funcionamiento,  ya que solo va a ser necesario “encender” la segunda caldera de forma simultánea, en aquellos momentos en que la demanda supera el 50% de la potencia máxima, lo cual a lo largo de todo el periodo de “tiempo”, representa  una fracción bastante pequeña del mismo.

Esta diferencia de rendimiento puede ser fácilmente evaluada mediante programas como el CALENER, aunque lógicamente el coste de la inversión se incrementa, por lo que el “ahorro” debe ser lo suficientemente considerable, como para justificar el aumento del gasto.