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sábado, febrero 02, 2013

Climatización, convección y un tren frío

El de hoy va a ser un post muy peculiar, ya que voy a comentar un caso de mala ciencia aplicada en el mundo real. Lo que podríamos llamar un caso de mala ingeniería (o tal vez, mal uso de un aparato). Uso con mucha frecuencia el transporte ferroviario, concretamente una línea MD de RENFE (servicio de Media Distancia, llamado coloquial e incorrectamente «regional»). Esta servicio lo realizan trenes de la Serie 449, bastante modernos, pero que presentan una peculiaridad incómoda.

Foto de un tren serie 449 de renfe

El interior del tren está climatizado, como cabría esperar, de forma que en verano circula aire frío (a veces demasiado, pero eso es otra historia), y en invierno aire caliente. En las fechas en las que estamos, y teniendo en cuenta que a las horas a las que cojo el tren, la temperatura ambiente puede ser de unos pocos grados, o incluso estar bajo cero, el correcto funcionamiento de la climatización del tren es fundamental. Puede suponer la diferencia entre un viaje agradable, o una tortura. La cuestión es, que siempre que viajo en ese tren, la salida de aire caliente se realiza por el techo. Aunque hay unas rejillas a ras del suelo, y a veces están tibias al tacto, nunca he notado que saliera por ahí aire caliente. Es decir, para calentar el interior del vagón, sale aire caliente por la parte superior del mismo.

¿Y cuál es el problema? Pues la Ley de Charles y el Principio de Arquímedes. Supongo que a todos nos han dicho alguna vez eso de «el aire caliente sube porque pesa menos». Eso es debido a una combinación de las dos leyes mencionadas.

Por un lado, la Ley de Charles nos dice que manteniendo la presión constante, la temperatura y el volumen de un gas ideal son directamente proporcionales. Esto es, si la temperatura aumenta o disminuye, el volumen también aumenta o disminuye. Puesto que la masa no se ve afectada, y recordando que la densidad es el cociente de la masa entre el volumen, resulta que al aumentar la temperatura de un gás, aumenta el volumen, y por tanto, disminuye la densidad. Es decir, el aire caliente es menos denso que el aire frío.

Aquí entra en acción la segunda parte de nuestra ecuación: el Principio de Arquímedes. Todos recordaremos eso de «un cuerpo sumergido en un fluido, recibe un empuje vertical y hacia arriba, igual al peso del volumen del fluido que desaloja». Esto mismo se puede aplicar aunque el cuerpo sea también un fluido. Puesto que el aire caliente es menos denso que el aire frío, para un mismo volumen, el peso del aire caliente es inferior al del frío. Por tanto, el aire frío empujará al aire caliente hacia arriba.

La ascensión del aire caliente es algo que podemos apreciar en multitud de ocasiones. El humo de un cigarrillo, por ejemplo, asciende porque lo hace el aire de alrededor, calentado por la combustión del tabaco. También asciende el aire caliente alrededor de una llama, y por eso nos quemaremos si ponemos la mano encima de una vela encendida, aunque podamos acercar mucho la mano si lo hacemos por un lado. Y es también lo que hace que los globos aerostáticos de aire caliente, puedan volar.

Foto de un tren serie 449 de renfe

Ahora volvamos a nuestro tren. Tenemos una temperatura ambiente muy fría, y queremos calentar el interior de un tren. Pero para ello, inyectamos aire caliente por la zona superior. ¿Qué ocurre? Pues que el aire caliente se queda cerca del techo, mientras que el aire más cercano al suelo sigue frío. El aire en reposo es un mal conductor del calor, por lo que en una distancia relativamente corta (la altura del vagón), podemos encontrar una diferencia de temperaturas considerable. Si te pones de pie, es posible tener la cara colorada del calor, y los pies casi congelados. Nunca he comprobado empíricamente la diferencia de temperatura entre el techo y el suelo (a ver si consigo un termómetro apropiado), pero usando la rigurosa metodología de «a ojo de buen cubero», me atrevería a decir que es de más de 10 ºC.

La forma más adecuada de calentar un recinto, es inyectando el calor cerca del suelo. El aire calentado ascenderá, y el frío descenderá, calentándose a su vez. Es lo que se conoce como convección. Justo al revés que en el tren.

Como he mencionado antes, los vagones tienen unas rejillas a ras del suelo, pero por ahí nunca he notado que saliera aire caliente, más bien lo contrario (a veces, sale aire frío). Así que no sé si el problema es un mal diseño del tren, o un mal uso del climatizador por parte del operador. En cualquier caso, es una molestia considerable para los sufridos viajeros, que además acarrea un coste energético desaprovechado.

27 comentarios:

  1. A ver si se les han cruzado los cables y sale el aire caliente por las rejillas del techo mientras el frío sale por las del suelo. Habrá que comprobarlo en verano :P

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  2. Ocurre exáctamente lo mismo que mi oficina ...

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  3. En el cuarto de baño de la casa de mis padres el radiador está justo encima de la puerta (y la ducha en el extremo opuesto). Yo ya me cansé de decirles que es un desperdicio de energía, luego se quejan de la factura de la luz.

    PD: En uno de los trenes se te ha colado un acento de polizón. :)

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  4. Hola;

    No es por fastidiar, pero así es como se supone que debe funcionar la calefacción por convección. No conozco el diseño del tren, pero os razono la teoría.

    Movemos el fluido en dirección contraria a la "convección". El objetivo es que se caliente todo el volumen. Si inyectamos el caliente por abajo y recogemos el aire frío por arriba, se forman "cortinas de aire caliente" que ascienden directamente hacia las rejillas del techo y que vuelven a ser inyectadas a mas temperatura por la rejilla inferior, subiendo a mas velocidad hacia el techo, generando una corriente de aire caliente que tarda mucho en mezclarse con el resto del aire del habitáculo. Este efecto es mucho menos pronunciado cuando inyectamos aire frío, porque el diferencial de temperatura es menor. Este fenómeno podéis observarlo en el radiador de vuestra casa y son también muy validos los ejemplos que usas del cigarrillo y la llama.

    Otro tema que también influye es la capacidad de incrementar la temperatura del aire. Todo calefactor que se precie, tiene un termostato que regula la temperatura de salida del aire. A mas caliente este el aire que extraemos del habitáculo, menos grados lo podemos calentar. Si tomamos el aire caliente de la parte superior de la habitación menos calorías transportara al interior del local. Por lo tanto, nos interesa recoger el aire mas frío de la habitación, que esta en el suelo.

    Sin embargo, si inyectamos el aire caliente por arriba, se forma una bolsa de aire caliente en la parte superior que va aumentando su volumen, a la vez que al extraer el aire frío de la parte inferior, que es donde esta mas frío, la bolsa de aire frío reduce su volumen. El aire caliente desciende por diferencia de presión y volumen, y va cediendo las calorías que contiene a los objetos del habitáculo. Al llegar a la rejilla de extracción llega a varios grados menos de los que fue inyectado.

    El otro sistema es por radiación, pero no es el caso.

    Gracias por tus artículos, siempre son muy interesantes. J. M. Iñigo

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    1. Creo que no es así. Según he estudiado la mejor opción seria:
      -invierno= inyectar aire caliente desde la parte baja y tomarlo también desde la parte baja, a una distancia tal que no sea aspirado el directamente inyectado aire caliente. Por lo tanto se inyectaria aire caliente desde el suelo, se producirian los efectos de intercambio por conduccion! (ya que seria particula-particula) y a una distancia dada el aire frío bajaria para ser tomado por el sistema y calentarlo.
      -verano= justamente lo contrario tanto la entrada como la salida del climatizador por la parte superior
      de esta forma las curvas de temperatura (delta de T) serian mas amplias, podriamos controlar mejor la temperatura del recinto.
      Otra cosa seria los problemas de implantación del sistema para llevarlo a cabo. un saludo!

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  5. Hola, no es precisamente el tema pero me ha puesto a pensar en como funciona un ventilador, esta en una habitación y el aire que entra sale mas frio, por que?

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    1. Kaos, un ventilador no enfría el aire. Sólo lo mueve. Lo que ocurre, es que el movimiento del aire afecta a la sensación térmica.

      La explicación rápida: salvo que la temperatura ambiente sea muy alta (mayor o igual a nuestra temperatura corporal), nuestro cuerpo pierde calor siempre. El movimiento del aire hace que esta pérdida sea más rápida, renovando el aire de nuestro alrededor, y presionándolo contra nuestro cuerpo, aumentando la conductividad térmica.

      La explicación larga: http://www.malaciencia.info/2005/12/transmisin-de-calor.html

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    2. Mover el aire con el ventilador tiene un segundo efecto sobre la sensación térmica que es incluso más relevante. La sudoración es el principal mecanismo de refrigeración del cuerpo. Las pequeñas gotitas de sudor tienden a evaporarse (por el segundo principio de la termodinámica) y como necesitan calor para ello, lo absorben del cuerpo. Es lo que nos permite estar a temperaturas superiores a la del cuerpo sin sobrecalentarnos y por ello, también, tenemos más sensación de calor en ambientes húmedos que secos, aunque estén a la misma temperatura. El aire circundante a nuestro cuerpo no sólo está más caliente del calor que perdemos (o no, si estamos a más de nuestra temperatura corporal), sino también más húmedo, del sudor evaporado. El ventilador no sólo nos envía aire más fresco, sino también más seco, facilitando el efecto refrigerante de la sudoración

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  6. Supongo que, si lo hicieran al revés, en otro blog pondrían a parir a Renfe por el desastre de la climatización los meses de verano.

    Es lo que tiene usar el mismo tipo de calefacción para calentar y para enfriar, que es difícil optimizarlo para todos los casos. Aquí han decidido optimizar para el verano.

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    1. en esos casos suele optimizarse para verano. En invierno siempre te puedes poner una capa mas de ropa, pero en verano la modestia (y la ley) nos pone un límite a la cantidad de ropa que podemos quitarnos :)

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  7. Interesante... No suelo viajar en tren (o subte) así que voy a prestar atención la próxima vez que lo haga...

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  8. la ingenieria es el arte de hacer algo economicamente posible.
    recuerda es el mejor diseño al menos costo.
    tienes toda la razon pero necesitarimos el doble de conductos de aire y logicamente seria el doble de caro la instalacion de climatizacion.

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  9. ¡Ops! Gracias por el aviso Ramón. Lo corrijo.

    Jesús, yo hubiera preferido que lo optimizaran para el invierno, ya que en verano el tren está demasiado frío. Con decirte que mucha gente lleva chaquetas, echarpes y otras prendas ligeras de abrigo, para ponérselas en el tren en pleno mes de agosto... Otro gasto energético excesivo.

    Jose María, gracias por la explicación. Muy interesante. Deduzco entonces que el problema es que el climatizador no lleva el suficiente tiempo funcionando cuando subo (a pesar de que el tren lleva algo más de una hora circulando, pues no lo tomo en el origen). Porque la evidencia empírica es que, muchas veces, se me quedan los pies helados :-/

    Lo curioso es que la doble instalación parece que existe. Ya he mencionado que en el suelo también hay rejillas por las que a veces sale aire. Pero nunca he notado que saliera caliente.

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    1. Pero es que, como comentan más arriba, en verano siempre te puedes tapar más si hace frío, pero el destape tiene un límite. Yo prefiero mil veces un vagón demasiado frío que uno demasiado caluroso. Y objetivamente creo que también, porque si hace mucho frío como mucho pillarás un resfriado, pero como te estés cociendo empiezan las lipotimias, bajadas de tensión y demás cosas bastante más desagradables.

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    2. Hombre, el que tengas que llevar ropa adicional sólo para ponértela en el tren, es un contrasentido. En verano, la gente va en manga corta, y no es de recibo que la temperatura interior sea una en la que necesites ponerte una chaqueta.

      Y por supuesto, también es ridículo que en en invierno se ponga la calefacción de forma que tengas que quedarte casi en pelotas. Yo he visto autobuses en verano con una temperatura interior de 18 ºC, y en invierno con una de 28 ºC. Un disparate en ambos casos.

      Pero para eso tienen los climatizadores un regulador. No entiendo esa manía de ponerlo "a tope".

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  10. El sistema que deberían tener en los trenes, y en general en todos los sitios, es el suelo radiante, es el que genera un perfil de temperaturas que más se aproxima al ideal.

    http://www.sapje.es/servicios.php?submenu=Calefaccion

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  11. Hola, ese problema de calefacción ocurre en todos los lugares, y es por un tema de coste y facilidad de instalación, en las viviendas la calefacción por conductos siempre esta arriba, lo que en invierno no tiene sentido, pero no seria sencillo hacerla salir por bajo.
    En aviones, autobuses, trenes, oficinas, etc, siempre esta así, y en invierno esta bien porque sale el frió por arriba y tiende a bajar, pero en invierno, el aire caliente se queda arriba.
    En cuanto a lo que dice Ramon FSM, es normal que este arriba que el radiador en un baño, por el riesgo a quemaduras y electrocuciones,

    http://www.sator.es

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  12. hablando de mala, pero muy mala ciencia... este tipo supera a todo. Geocentrismo en el siglo XXI!!!!!!

    http://creacinseisdas.blogspot.com.es/2013/02/libro-sobre-geocentrismo.html

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  13. Alf, te quiero felicitar por este gran blog que llevas.
    Utilicé unos meses de mi vida en leer absolutamente todas las notas que hiciste. Realmente fue tiempo bien invertido :)

    De nuevo, felicitaciones y que sigas así

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  14. Estas mal informado.
    Los equipos de climatización van en el techo de los trenes y distribuyen aire frio o caliente por el techo según se necesite. Se utilizan solo canales de impulsión de aire que estan en la parte alta de la sala de viajeros.
    Los canales inferiores laterales se utilizan únicamente en calefacción precisamente para evitar el gradiente térmico que se produciría si solo sale aire caliente por el techo.
    Se utilizan unos convectores de aire parecidos a los de casa. Toman aire de la sala de viajeros y pasan por una resistencia que lo caliente y lo impulsa por el canal. Los 449 tienen cuatro en cada sala.
    El gradiente de temperatura entre techo y sala no puede superar los 3 grados. El tren se diseña y se prueba para que funcione de esa forma.
    No hay un error de diseño. Lo que puedes haber encontrado es una avería en los convectores o alguna avería en sondas de temperatura que estuviera engañando al control del tren y no los hubiera puesto en marcha.

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  15. Muchas gracias por la explicación. La información de la que disponía era únicamente la que se puede obtener mediante la observación (mis pobres pies helados, el tacto frío de los canales inferiores, y el calor de la zona superior de equipajes).

    Me alegra saber que no hay error de diseño, sino una avería (aunque bastante habitual, por desgracia para mis pies).

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  16. Yo viajo en tren a diario en Madrid, pero en cercanias. Y es justo al contrario, las rejillas que están colocadas a pie de suelo, en los laterales, echan calor siempre, mientras que los aparatos del techo echan aire frío en invierno.

    Aunque hay trenes algo más antiguos o los del mismo metro, que usan los aparatos de aire acondicionado situados en el techo también (con la bomba de calor) como calefacción.

    Mi opinión: algo raro pasa ahí...

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  17. Durante un par de años fui viajera asidua del media distancia, y garantizo que era horrible. Había vagones dónde uno se podía asar y otros en que uno se congelaba, el vago con buena temperatura nunca lo llegué a encontrar. Un revisor me dijo que la temperatura del tren tenía que ser 21º y yo llegué a la conclusión que era de media, porque yo siempre me congelé. En verano con temperaturas fuera de trenta y pico grados, dudo que llegaramos a 15 dentro. Lo peor, fue que además eran alérgicos al polen, estába mal puesta la rejilla para evitar que el polvo estropease el motor y que con el aire que entrase además se refrigerase, que se tapaba completamente y esto ocasioanaba que el motor se sobrecalentase. (Sin contar con los retrasos que había, pero eso no era culpa del MD si no de las obras del AVE)
    Tengo que reconocer que me alegré de cambiar de trabajo y dejar de utilizar esos trenes

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  18. desde luego es un fallo importante en la climatización de los trenes que no hayan tenido en cuenta que el calor tiene que venir de abajo y no de arriba, así que se gasta energía para pasar frio...

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  19. Hola suelo ir de vez en cuando a Jaen y me aterra hacerlo de nuevo siempre me pongo enferma los vagones están tan fríos que no hay quien pare y con el calor de fuera hay una diferencia brutal no se como podía hacer para que pusieran una temperatura agradable sin dañar a nadie todos se quejan.Alguno me podría decir algo al respecto gracias.

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  20. Debe ser porque la calefacción y la refrigeración está centralizada y eso hace que el calor suba por el sistema de ventilación y salga por las rejillas de arriba. En verano seguramente el aire frio sale de abajo por la misma razón. El movimiento ascendente o descendente del aire no ocurre en donde se encuentra tu asiento sino que ocurre antes en el sistema de ventilación.

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