¿Qué tan rápidos podrían ser los ascensores más rápidos?

Examinar qué limita la velocidad del elevador de pasajeros y qué tan más rápidos estarán disponibles

por el Dr. Albert So y Ricky Chan

El año pasado, el primer autor de este artículo publicó “El ascensor más rápido: una competición de alta tecnología” (ELEVATOR WORLD, septiembre de 2014), en el que se analizan diversas tecnologías desarrolladas por fabricantes internacionales para batir el récord de velocidad, que ahora se sitúa en 1,200 mpm (aunque todavía no se ha instalado), mientras que los récords anteriores eran de 750 mpm en la Yokohama Landmark Tower, 1,010 mpm en la Taipei 101 y 1,080 en la Shanghai Tower. La última frase del artículo afirmaba que “es inexorable una revolución en el récord de velocidad de los ascensores” debido al continuo crecimiento de la altura de los edificios de gran altura en todo el mundo, que apuntan a alcanzar 1 km de altura.

Un lector, Pieter J. de Groot, comentó (EW, diciembre de 2014) que la velocidad máxima de los ascensores está limitada por la tasa de cambio de presión de aire que pueden tolerar los pasajeros. Es bien sabido que la presión atmosférica disminuye a una tasa de aproximadamente 12 milibares (mb) por 100 m, como se menciona en el comentario de De Groot. Además, señaló que la presurización de los automóviles, que es una complicación indeseable pero con beneficios de tiempo mínimos, no resuelve el problema de reducir la tasa de cambio de la presión del aire para los pasajeros. Esto se debe a que el control de la presión del aire en el automóvil para mantener una tasa de cambio constante requiere despresurizar durante la primera mitad de un viaje ascendente y luego presurizar durante la segunda mitad del viaje ascendente.

La respuesta del autor, también en el último número de EW, indicó que el fabricante de los ascensores de súper alta velocidad que sirven a Taipei 101 obtuvo una tasa controlada de cambio de presión de aire en el automóvil a 1.26 mb por segundo (mbps), que es aceptable para la mayoría de los pasajeros. De hecho, la cabina del ascensor en particular en Taipei 101 es hermética y tiene un barómetro en el automóvil bajo un control continuo y complicado por medio de un soplador. En otras palabras, los pasajeros deben sentirse cómodos cuando viajen en una cabina de ascensor súper rápida, sea cual sea la velocidad, siempre que la tasa de cambio de presión dentro de la cabina esté bajo control. Este artículo continuará la respuesta del autor explicando la física detrás de la respuesta, luego presentará una solución potencial para que los fabricantes rompan récords de velocidad continuamente.

El límite de velocidad basado en la física de las variaciones de la presión del aire

La tasa real de cambio de presión de aire que limita la velocidad del ascensor es la presión externa al hueco del ascensor, no dentro de la cabina. Aunque algunos coches están sellados al aire, la caja de ascensor existente y el interior del edificio no lo están. Eso significa que la presión del aire fuera del hueco del ascensor descenderá a una velocidad de 0.12 mb por metro hacia arriba. Aunque la cabina en sí puede mantener una tasa constante y cómoda de reducción de la presión del aire a 1.26 mbps, la presión del aire en el exterior no cae al mismo ritmo si la velocidad del ascensor es demasiado alta.

Tomemos un ejemplo extremo de la velocidad de un automóvil de, digamos, 30 mps. En 33 s., El automóvil ya ha viajado hacia arriba aproximadamente 1,000 m con una cómoda reducción de presión de aire de 1.26 X 33 = 41.6 mb en total (sin considerar la aceleración y desaceleración). Sin embargo, fuera del automóvil, la reducción total de la presión del aire es igual a 1,000 X 0.12 = 120 mb. Cuando el automóvil se detiene en el rellano de 1,000 my se abren las puertas del vehículo / rellano, los pasajeros se enfrentan a una caída de presión de aire inmediata de 120 - 41.6 = 78.4 mb, que no es tolerable para la mayoría de los pasajeros. Cabe señalar que el cambio exacto debería ser mucho menor, porque el tiempo de aceleración y desaceleración no se considera aquí (aunque será más tarde).

Parece que la cómoda caída o subida de 1.26 mb por segundo y el cambio de 0.12 mb de la presión atmosférica externa por metro de elevación vertical ya han limitado la velocidad del coche a 1.26 / 0.12 = 10.5 mps. Pero los ascensores Taipei 101 han superado este límite durante más de una década. Esto se debe a que debemos abordar los tres tipos de movimiento: aceleración, operación a velocidad nominal y desaceleración.

El siguiente modelo matemático podría ayudarnos a comprender más sobre todo el evento y, teóricamente, estimar el límite de velocidad. La figura 1 muestra la curva de velocidad / tiempo de una cabina de ascensor típica. La zona I es la región de aceleración en a mps², desde t = 0 s. at = t1 s .; La zona II es la región de velocidad nominal, a velocidad = v mps, de t = t1 s. a t2 s .; La zona III es la región de desaceleración, a –a mps2, de t = t2 s. hasta t = t2 + t1 s. debido a la simetría del perfil de velocidad. Aquí, en aras de la simplicidad, se ignoran los períodos de sacudidas muy breves. La Tabla 1 muestra los valores de los parámetros cinemáticos relevantes.

El tiempo más corto que toma este disparo típico es, por supuesto, cuando t1 = t2 (es decir, sin operación a velocidad nominal alargada, lo que dificulta el control de la presión). Entonces, el tiempo total tomado = 2 t1 s. y la distancia total recorrida = a (t1) 2 m. El tiempo total tomado rige el cambio máximo de presión de aire en el automóvil durante todo el viaje = 2 t1 X 1.26 mb = 2.52 t1 mb. La distancia total recorrida gobierna el cambio de presión de aire fuera del automóvil durante todo el viaje = a (t1) 2 X 0.12 mb = 0.12 a (t1)² megabyte. Para asegurarse de que los pasajeros no se enfrenten a una caída repentina de la presión del aire cuando salgan del automóvil, la desigualdad representada en la Ecuación 1 es necesaria.

0.12at² < 2.52t₁          at₁ < 21

(Ecuación 1)

Cabe señalar de la Tabla 1 que at1 también es la velocidad alcanzada, lo que implica que la velocidad máxima alcanzada es de 21 mps. Si se utiliza la tasa normal de aceleración / desaceleración de 1 mps2 (tolerable por la mayoría de los pasajeros), t1 no debe ser superior a 21 s. Si se usa otra tasa de aceleración / desaceleración, t₁ También será diferente, pero el límite de velocidad teórico es siempre igual a 21 mps.

Parece que el sistema de ascensores que servirá al Centro Financiero CTF de Guangzhou ya ha llegado al extremo. Por supuesto, todavía hay espacio para un ligero aumento más allá de los 21 mps comprando tiempo. Por ejemplo, cuando las puertas están cerradas en la planta baja, puede comenzar la reducción de la presión de aire, mientras que pueden pasar algunos segundos más antes de que el automóvil comience a subir. Cuando el automóvil llega al último piso, es posible que tarde unos segundos más en nivelarse, durante los cuales se puede lograr una mayor reducción de la presión del aire en el automóvil. La siguiente sección explicará una posible solución para reducir aún más esta presión, lo que puede permitir a los fabricantes internacionales de ascensores continuar su competencia de velocidad.

Control aerodinámico de la presión del aire en el interior del edificio

Como se indica en el comentario antes mencionado, la infiltración es altamente indeseable en los edificios modernos cuando se trata de sostenibilidad y ahorro de energía. [2] Cuando el aire exterior se filtra incontrolablemente al edificio a través de pequeños huecos en la fachada (incluida la ventana), la carga de refrigeración o calefacción aumentará considerablemente. Las pautas de ingeniería normales establecen que todo el aire exterior debe introducirse en un edificio a través de filtros para eliminar el polvo y las bacterias, y extraerse correctamente para eliminar el olor interior. Eso explica por qué los interiores de los edificios suelen estar ligeramente presurizados, para asegurarse de que solo salga aire interior, mientras que el aire exterior no puede entrar. En otras palabras, es deseable y posible controlar la presión del aire en el interior del edificio mediante el uso de ventilación mecánica para el propósito de ahorrar energía. Sellar todos los huecos en la fachada seguramente ayudaría.

Un artículo sobre ascensores de alta velocidad en Taipei 101 [3] mencionó que siempre que la presión atmosférica cambia dentro o fuera de la cabina del ascensor, causaría malestar fisiológico a los pasajeros. El autor informó que estos ascensores se desplazaban a velocidades contractuales de 1,010 mpm (16.8 mps) hacia arriba y 600 mpm (10 mps) hacia abajo a lo largo de 382.2 m. La diferencia de presión atmosférica entre los pisos de despacho y destino en Taipei 101 es de aproximadamente 48 mb. Es bien sabido que cualquier cambio repentino de presión atmosférica normalmente habría hecho que algunos pasajeros se sintieran bastante incómodos o enfermos, como en un avión antes de aterrizar. Para solucionar este problema, Toshiba desarrolló un sistema de regulación de la presión atmosférica para mitigar las molestias debidas a la diferencia de presión dentro y fuera del automóvil cuando se viaja a alta velocidad.

El mismo principio que se utilizó en el caso de Taipei 101 se puede aplicar al estudio del hipotético edificio de 1,000 m de altura, que se propuso en la sección anterior de este artículo para estar equipado con un elevador de súper alta velocidad que intenta funcionar a una altura determinada. alta velocidad imaginaria de contrato de, digamos, 30 mps. Usando esta suposición y el gradiente de presión natural de 12 mb por 100 m, la diferencia de presión total entre el techo y la planta baja es de 120 mb. Como se demostró en la sección anterior y en el caso de Taipei 101, lo más buscado es un patrón con la tasa de cambio de presión en el automóvil fija en el mismo valor de principio a fin. En su caso, el cambio de presión dentro del automóvil en un automóvil en ascenso podría reducirse drásticamente a 1.29 mbps y también reducirse durante el descenso a solo 0.96 mbps, [3] que estaban dentro de la cómoda tolerancia argumentada hasta ahora. Estas cifras se lograron principalmente gracias a un soplador de alta presión que genera la presión necesaria dentro del automóvil. En el caso del Taipei 101, también se mencionó la forma aerodinámica de la cápsula del automóvil, mientras que el primer autor de este artículo estudió la forma del automóvil para mejorar el rendimiento aerodinámico de los ascensores de alta velocidad [4].

Para abordar el problema principal de De Groot, cuando el automóvil se detiene en el punto de aterrizaje de 1,000 m de altura y se abren las puertas de aterrizaje del automóvil, los pasajeros deben enfrentar una caída inmediata de la presión del aire de decenas de milibares, que no es tolerable para la mayoría. pasajeros. Un estudio relacionado realizado por los autores de este artículo ha identificado desde entonces esta repentina caída de presión del aire cuando se encuentra en el punto más alto del ascensor y los niveles correspondientes debajo. El estudio incluye una serie de cálculos sobre cuánta presión adicional se requeriría para anular la diferencia de presión a diferentes alturas y niveles de este edificio con la cabina del ascensor en movimiento a 30 mps.

Se hace referencia a la Tabla 2 que muestra los cambios en el tiempo, la altura, la velocidad, la presión en el automóvil, la presión atmosférica exterior y la presión interior que se agregarán para el automóvil subtitulado que viaja desde la planta baja hasta el piso superior a 990 m de altura con una aceleración constante y tasa de desaceleración de 1 mps2. Aquí, se supone una altura de piso uniforme de 4 m por piso. Se puede ver que todo el viaje dura 63 s. sin la consideración de sacudidas, y que la presión agregada más alta de aproximadamente 46 mb ocurre a una altura de alrededor de 930-940 m sobre el suelo hacia el final del viaje. Cuando la presión agregada es negativa, la presión del aire interior tiene que ser menor que la presión atmosférica a la misma altura, y viceversa para una presión agregada positiva.

Para eliminar el efecto de una caída de presión repentina que experimentan los pasajeros cuando una cabina de ascensor de alta velocidad aterriza y abre las puertas en cada nivel del piso, la presurización del edificio de oficinas en diferentes niveles debe controlarse adecuadamente como se ilustra en la Figura 2 para equilibrar la drástica diferencia de presión entre la cabina del ascensor y el vestíbulo.

Este sistema aplica un ventilador de cabezal alto para generar una alta presión de aire en cada piso siempre que la presión adicional requerida sea positiva (como se muestra en la Tabla 2) para adaptarse a las cifras calculadas basadas en una caída de 1.26 mb por segundo de recorrido y una reducción vertical de 0.12 mb por m. Por supuesto, la presión atmosférica exterior varía debido a varios factores, como las condiciones climáticas instantáneas, las estaciones del año y el ajuste de temperatura del sistema de aire acondicionado centralizado. Pero, todos estos datos se pueden enviar al sistema de gestión del edificio, luego al sistema de presurización de aire del automóvil para el control dinámico de la presión del aire interior de cada piso. Este control es facilitado por los sistemas de manejo de aire estándar como se muestra en la Figura 3. La teoría matemática y los algoritmos para seleccionar los ventiladores mediante los cuales lograr la compensación de presión precisa como se describe anteriormente también pueden obtenerse y referirse en BS 5588-4: 1998 o la última norma británica o europea correspondiente a la presurización y despresurización de escaleras. [1]

Análisis

Aunque este método parece ser una solución potencial en aras de la sostenibilidad, además de la comodidad de conducción del ascensor, existen consideraciones técnicas. Aunque es posible presurizar todos los pisos, es imposible presurizar el hueco del ascensor que se extiende desde la planta baja hasta el piso superior. Cuando las puertas de la cabina / rellano se abren en un piso en particular, los espacios alrededor de los bordes de las puertas deben sellarse primero para que la cabina solo esté abierta al vestíbulo, en lugar del hueco del ascensor. La presión en todo el piso, incluido el vestíbulo, debe ser uniforme. En otras palabras, la cabina, el vestíbulo y todo el piso deben ser herméticos al hueco del ascensor. Las grietas en la fachada del edificio y alrededor de las ventanas deben sellarse, o la tasa de fuga de aire será bastante alta en los pisos más altos, ya que hay una diferencia de presión creciente en decenas de milibares. Una vez más, las escaleras actúan como el hueco del ascensor y, por lo tanto, la variación de la presión del aire a lo largo de las escaleras es equivalente a la del exterior. Las escaleras también deben estar presurizadas, ya que la tendencia de usar ascensores para la salida de incendios está madurando, lo que disminuye la dependencia de las escaleras.

Se espera, aunque sus autores no lo estiman, que la energía consumida para crear un edificio de gran altura tan hermético podría ser sustancial. Afortunadamente, la diferencia de presión entre pisos consecutivos interpolada entre los valores enumerados en la Tabla 2 no es tan alta como para que las fugas de aire entre pisos no sean una preocupación importante. Para viajes cortos, el tiempo dedicado a la aceleración y desaceleración es relativamente largo; por lo tanto, el control de presión en el automóvil es menos exigente donde siempre se puede cumplir la caída de 1.26 Mbps. El verdadero desafío radica en un viaje en lanzadera desde la planta baja hasta el último piso de un edificio de casi 1 km de altura.

Conclusión

Este artículo sostiene que es técnicamente posible que los ascensores rompan el límite de velocidad teórico, digamos 21 mps según lo estimado, mediante el uso de un control avanzado de presurización de calefacción, ventilación y aire acondicionado. Sin embargo, los autores están de acuerdo con la opinión de De Groot, en general, de que una mayor competencia para batir récords de velocidad de ascensor no es tan significativa, mientras que hay muchas otras formas de abordar los viajes en transbordador dentro de edificios de gran altura. El establecimiento de terminales de lanzadera a diferentes alturas brinda a los pasajeros la oportunidad de acostumbrarse a la menor presión de aire en una terminal en particular antes de proceder a cambiar de automóvil para llegar a una terminal más alta. Otra forma es establecer un vestíbulo de adaptación a la presión en cada piso de aterrizaje alto para que los pasajeros se tomen un tiempo para permanecer allí antes de que se les permita caminar hacia el núcleo del edificio. Este método ha sido utilizado por buceadores de aguas profundas durante años. Como se anunció, el próximo récord de velocidad será de 20 mps. ¡Veamos hasta dónde pueden llegar los fabricantes internacionales!

Referencias
[1] BS 5588-4 (1998): Precauciones contra incendios en el diseño, construcción y uso de edificios - Parte 4: Código de prácticas para el control de humo mediante diferenciales de presión.
[2] de Groot, PJ “Comentarios” y So, A. “Respuesta del autor”, ELEVATOR WORLD, diciembre de 2014.
[3] Mizuguchi H., et al. "Rompiendo la barrera de las 1000 mpm: Elevadores de alta velocidad en Taipei 101", EW, septiembre de 2005.
[4] Entonces, A. “Fastest Elevator - A Competition in High Technology”, EW, septiembre de 2014.
[5] Boletín de ingenieros de Trane, Gestión de los entresijos de la presurización de edificios comerciales, American Standard Inc., vol. 31, No. 2. (2002).