jueves, 21 de diciembre de 2023 · 0 min read
Monitoreo e Identificación de la Contaminación por Partículas de Trenes en Túneles
Las partículas liberadas por los trenes afectan a la salud humana y al medio ambiente. Los niveles de emisiones en los túneles son críticos y están influenciados por el tipo de trenes que pasan, la velocidad, la masa, etc. ¿Qué tipo de tren provoca las mayores emisiones?
La Universidad Técnica de Graz investiga por encargo de ÖBB, el mayor operador de infraestructuras ferroviarias de Austria, la contaminación del aire y las partículas producidas por distintos trenes. Dewesoft ayudó con el monitoreo medioambiental e identificó los trenes por sus propiedades.
El proyecto de investigación del ITNA, el Instituto de Termodinámica y Sistemas de Propulsión Sostenibles de la universidad, pretende dar respuesta a estas dos preguntas:
¿Cuánta contaminación por kilómetro causan los distintos tipos de trenes?
Dado que una gran cantidad de equipos de telecomunicaciones se encuentran dentro de los túneles: ¿Cuál es la vida útil esperada del filtro de aire?
Contaminación por Partículas Causada por los Trenes
Los trenes sobre rieles hacen que el polvo, los escombros y las partículas de escape del motor del tren se eleven en el aire. Estas partículas pueden incluir partículas, como hollín y humo, y diversos gases, como óxidos de nitrógeno y dióxido de azufre. Las partículas específicas producidas dependerán del tipo de combustible del tren, las condiciones de la vía y el entorno circundante.
Con una longitud de casi 16 kilómetros (10 millas), el túnel de Münsterer es actualmente el túnel más largo de Austria. ITNA eligió el túnel de dos vías para la investigación debido a sus vías relativamente modernas que permiten a los trenes alcanzar una velocidad de 200 km/h y más.
Las partículas liberadas por los trenes pueden tener efectos más negativos tanto para la salud humana como para el medio ambiente. Las personas que viven o trabajan cerca de las vías del tren o en áreas con mucho tráfico ferroviario pueden tener un mayor riesgo de exposición a partículas, que pueden causar problemas respiratorios como asma y bronquitis. La exposición prolongada a estas partículas también puede aumentar el riesgo de enfermedades cardíacas y cáncer de pulmón.
Las partículas y otros contaminantes también contribuyen al smog y la lluvia ácida, que dañan plantas, animales y afectan la calidad del suelo y el agua. Si bien las emisiones de los trenes pueden afectar la calidad del aire y generar riesgos para la salud humana, los trenes siguen siendo un modo de transporte más limpio y energéticamente más eficiente que los automóviles y los camiones.
Se producen altos niveles de partículas en suspensión (PM) y óxidos de nitrógeno (NOx) cerca de las estaciones y vías de tren en varias zonas urbanas de todo el mundo. Por ejemplo, en Estados Unidos, los estudios han demostrado niveles más altos de PM y NOx cerca de las vías del tren en áreas urbanas como Chicago, Nueva York y Los Ángeles. Estudios en Europa muestran resultados similares en ciudades como Londres, París y Berlín.
Hay consideraciones especiales respecto de las emisiones en los túneles. La falta de ventilación en un túnel puede provocar una acumulación de contaminantes. Pueden surgir problemas en zonas con muchos túneles, como regiones montañosas o zonas urbanas densamente pobladas, por ejemplo, los túneles de los Alpes suizos y el metro de Hong Kong.
En enero de 2023, mediciones realizadas por la Universidad de Copenhague mostraron que la concentración de partículas nocivas en el aire en el metro eléctrico de la ciudad es de 10 a 20 veces mayor que en la calle más contaminada de Copenhague.
Regulaciones y estándares
Existen regulaciones y estándares para limitar la liberación de partículas de los trenes, como los estándares de emisiones establecidos por los organismos reguladores.
Austria y otros estados miembros de la UE están sujetos a las regulaciones y estándares de la UE sobre emisiones de partículas causadas por los trenes. El Ministerio Federal de Sostenibilidad y Turismo (BMNT) y su agencia medioambiental, Umweltbundesamt (UBA), hacen cumplir las normas de la UE y otras normas sobre calidad del aire y medio ambiente.
La UE ha establecido regulaciones y estándares sobre las emisiones de partículas provocadas por los trenes definidos en las Normas Técnicas de Interoperabilidad (ETI). Estas normas, establecidas por la Dirección General de Acción Climática de la Comisión Europea, cubren diversos contaminantes, incluidas las partículas, los óxidos de nitrógeno y el dióxido de azufre. Se aplican a vehículos y motores nuevos, incluidos los trenes.
En Estados Unidos, la Agencia de Protección Ambiental (EPA) establece estándares de emisiones para varios tipos de vehículos, incluidos los trenes. La EPA establece estándares para partículas y otros contaminantes, como óxidos de nitrógeno y dióxido de azufre, que los trenes deben cumplir. Los requisitos estándar varían según el tipo de tren, su motor y el tipo de combustible utilizado.
La Administración Federal de Ferrocarriles (FRA) es responsable de hacer cumplir estas normas para trenes y ferrocarriles. La FRA también establece normas de seguridad para trenes y vías férreas, que pueden afectar las emisiones.
Monitoreo y Medición de Emisiones
El monitoreo de los niveles de partículas en los túneles ferroviarios es la base para proteger la salud laboral de los empleados ferroviarios, la salud de los pasajeros de los trenes y de los residentes cercanos, así como para garantizar el cumplimiento de las normas sobre calidad del aire.
El aire ambiental enfría los circuitos de la infraestructura ferroviaria. Cuando pasa un tren, la fricción entre los rieles de acero y las ruedas genera fricción y polvo fino que se arremolina. Este polvo es especialmente perjudicial para la electrónica.
Los operadores ferroviarios instalan filtros, pero la experiencia demuestra que necesitan reemplazarlos con más frecuencia que en otros entornos. El equipo de ITNA quería hacer un análisis en profundidad para estudiar los niveles de contaminación del aire ambiente y los requisitos para el reemplazo de filtros.
Los métodos para medir o estimar las emisiones de partículas de los trenes incluyen el monitoreo a bordo, la teledetección, la recolección de muestras para análisis de laboratorio o la modelización de emisiones. Las regulaciones y estándares sobre emisiones de trenes a menudo especifican qué métodos deben utilizar los operadores para cumplir.
Sensores de Emisión de Partículas
Los niveles de partículas en los túneles de trenes generalmente se miden utilizando equipos de monitoreo de calidad del aire instalados en los túneles de trenes o cerca de ellos. Se aplican varios tipos de sensores para medir las emisiones de partículas de los trenes.
El equipo de ITNA utilizó un sensor dedicado para medir la materia en particular. En pocas palabras, el aire ambiental se presiona a través de un tubo delgado mientras el sensor cuenta las partículas y detecta su tamaño; consulte la Figura 1.
Los sensores específicos utilizados pueden variar según el método de medición, el equipo utilizado, los contaminantes de interés y las regulaciones y estándares vigentes. Los tipos incluyen:
Sensores de partículas (PM): miden la concentración de partículas en el aire. Los ejemplos incluyen sensores basados en láser, como el nefelómetro, y sensores basados en movilidad eléctrica, como el medidor de partículas de movilidad diferencial.
Sensores de gas: Miden la concentración de gases en el aire, como óxidos de nitrógeno (NOx) y dióxido de azufre (SO2).
Sensores ópticos: detectan contaminantes midiendo la dispersión o absorción de la luz de las partículas.
Sensores de temperatura y humedad: Aplicados para medir la temperatura y humedad del aire afectando la dispersión de partículas.
Más factores pueden afectar la liberación de partículas de los trenes sobre rieles:
Tipo de combustible utilizado por el tren: Los diferentes tipos de combustible, como el diésel o el eléctrico, producen diferentes tipos y cantidades de partículas.
Antigüedad y mantenimiento del tren y su motor: Los trenes más antiguos y en mal estado pueden liberar más partículas que los más nuevos y en buen estado.
Velocidad del tren: una mayor velocidad puede aumentar significativamente la cantidad de partículas liberadas.
Condiciones de la vía: Los carriles rugosos o sucios pueden aumentar la liberación de partículas.
Condiciones climáticas: el viento y la temperatura afectan la forma en que las partículas se dispersan en el aire.
Medio ambiente circundante: factores como la proximidad a otras fuentes de contaminación y los patrones climáticos locales pueden afectar la liberación de partículas
La Solución Dewesoft
Durante el período de vigilancia que duró unos meses, todo tipo de trenes pasaron por el punto de medición. Desafortunadamente, por razones de seguridad, no fue posible acceder a la base de datos interna del operador de trenes, por lo que para identificar los tipos de trenes, utilizamos las soluciones de DAQs Dewesoft para detectar y medir:
Las distancias entre ejes,
La velocidad,
La masa aproximada para identificar el tipo de tren, por ejemplo, Intercity, Eurocity, Railjet, Cargo o Nightjet, así como
La presión del aire.
Hicimos esto con seis galgas extensométricas de un cuarto de puente montadas en diferentes lugares en la parte inferior de los rieles, tres en cada dirección. Desde que utilizamos el sistema de adquisición de datos DEWE-43A.
El sistema de adquisición de datos multiseñal DEWE-43A, 8 canales
En una etapa posterior del proyecto, el equipo de ITNA añadió dos sensores de presión adicionales. El equipo también montó cámaras a cada lado del túnel para verificar ópticamente la identificación matemática del tipo de tren. Los datos de la estación meteorológica mostraron la velocidad del viento, la temperatura y la humedad.
Instalación del sistema
Durante la instalación, las vías del túnel estuvieron cerradas al transito. Nuestros equipos llegaron al gabinete de distribución a través de uno de los túneles de entrada laterales utilizados para el servicio. Un miembro del personal de la ÖBB siempre estuvo presente, preocupándose por nuestra seguridad. Aunque era un túnel no tan antiguo, al extender los cables notamos el típico polvo negro por todas partes.
Los túneles ferroviarios modernos incluyen una gran cantidad de equipos de telecomunicaciones y se requiere un funcionamiento adecuado; esto genera la necesidad de un filtrado de aire eficaz e intervalos óptimos de vida útil del filtro. Nos sorprendió un poco que nuestros smartphones tuvieran una recepción LTE constante y completa en el túnel.
Los cables que necesitábamos ya estaban colocados con la longitud adecuada. A continuación, definimos las posiciones para montar los sensores en los rieles. Pulimos con cuidado pequeños puntos en la parte inferior de los rieles para conseguir una superficie más lisa.
Luego, limpiamos químicamente estos puntos con el alcohol adecuado y pegamos la galga extensiométrica con un adhesivo a base de cianocrilato. Después de aplicar la película protectora, se liberó la tensión del cable y los puntos de medición quedaron listos.
Mediciones de carga
Cuando pasa un tren, las ruedas empujan el riel hacia abajo y las galgas extensométricas crean una pequeña señal. Hicimos las primeras mediciones de deformación con una alta tasa de muestreo para obtener una imagen general. Nos mostró que una frecuencia de muestreo de alrededor de 300 Hz era la mínima para no distorsionar la señal. Dado que la medición duró meses, tuvimos que definir condiciones de activación para capturar datos solo cuando sucediera algo.
Configuración de los Triggers
Las galgas extensométricas de cuarto de puente son fáciles de instalar y se utilizan con frecuencia, pero tienen la desventaja de ser sensibles a los cambios de temperatura. Se podría imaginar que la temperatura del túnel debería ser casi constante. Incluso los pequeños cambios afectan a los sensores.
Al final resultó que, establecer el nivel de activación en un valor fijo fue inadecuado y provocó algunas falsas alarmas. Con una pendiente baja, la señal cambia suavemente, lo que dificulta definir un activador de cruce de valor; consulte la línea rosa en la Figura 6.
El software de adquisición de datos DewesoftX ofrece una variedad de capacidades de procesamiento matemático, como fórmulas, filtros, funciones de bloqueo, etc. Para aumentar la pendiente, hicimos algunas pruebas calculando la derivación.
Logramos el mejor resultado utilizando un proceso de doble derivación con un filtro de 30 Hz adjunto y aplicando un cruce de niveles. Después de almacenar un conjunto de datos, calificamos los niveles de activación en el post procesamiento (recalculados) para que se ajusten a todo tipo de trenes. En la Figura 6, la curva azul muestra una señal de activación estable {0,1} con todas las galgas extensométricas lógicamente en OR.
En la sección de activación, utilizamos activadores previos y posteriores. Si el tiempo posterior a la activación ha finalizado, pero el tren es más largo de lo esperado, aún podríamos capturar todos los datos usando la casilla de verificación "Extensión de tiempo posterior". Entonces, con el disparador activo, el sistema continuará escuchando los disparadores y agregará el tiempo posterior al disparo después del último evento desencadenante. Entonces, nos aseguramos de tener un archivo de datos por tren.
Identificación de Trenes por Perfil de Pulso
La figura 7 muestra la medición de un tren que pasa por la vía 4, y la curva de color verde claro muestra la señal de la galga extensométrica. El primer bloque de impulsos tiene una amplitud mayor que los siguientes, lo que indica que había una locomotora tirando de siete vagones. Cada uno de los vagones tiene un bogie de dos ejes, los rápidos de doble impulso, es un tren de pasajeros. Y teniendo en cuenta la velocidad, es un Railjet.
La curva amarilla en la parte superior indica el sensor de presión. Cuando llega el tren, se produce un aumento brusco de presión, seguido de una presión negativa prolongada provocada por un efecto de succión. Un tren que pasa rápido puede arrastrar a personas u objetos demasiado cerca de la zona de la vía.
¡La diferencia de presión es de 1000 Pa! A modo de comparación, las normas especifican que la diferencia de presión entre dos habitaciones contiguas no debe exceder los 50 Pa para que las personas puedan abrir una puerta comunicante (fuerza de apertura < 100 N).
El inicio y el final de la curva amarilla indican que la presión negativa se mantiene durante algún tiempo después de que pasa el tren. Es necesario rellenar el túnel con aire, pero actúa como una resistencia al flujo de aire. El túnel es como una “pajita” en comparación con el entorno exterior. La línea azul claro en la parte inferior es la señal del sensor de presión en la otra pista. Esta curva de presión es similar a la amarilla pero sin el pico corto inicial.
La Universidad Técnica de Graz exporta los datos medidos a Matlab, donde ya han escrito un script para determinar la velocidad, el tipo de tren, etc., y correlacionarlos con la contaminación del aire, etc.
Conclusión
El túnel de 16 km de longitud proporcionó un entorno de medición homogéneo sin la influencia del viento, la lluvia, la nieve u otras fuentes de emisión como el humo del tráfico, el smog industrial o la calefacción de los hogares privados.
El proyecto de investigación del ITNA está en curso pero ha alcanzado algunos resultados preliminares y parciales.
Se podría suponer que un tren de mercancías pesado es el que causa la mayor contaminación. Los trenes de pasajeros circulan a velocidades mucho más altas y, por lo tanto, giran alrededor de una cantidad significativa de polvo. Los empleados de la universidad también observaron una diferencia entre los túneles con tráfico en una o dos direcciones, ya que el suministro de aire fresco llega por diferentes caminos.
Las distancias entre ejes de los tipos de trenes, como los de pasajeros o de mercancías, varían, ya que los bogies no están estandarizados. Estas diferencias hacen que la identificación matemática sea ligeramente más compleja de lo esperado.
“El sistema funciona estable. Hasta ahora no hemos tenido ningún fallo”, afirma el asistente científico Philip Leonhardt del ITNA. “No somos usuarios habituales de Dewesoft, por lo que no conozco todas las funciones. Las principales ventajas son una instalación sencilla, una configuración rápida del sensor y datos de medición fiables”.
