Sectores de la industria Ventilación

Sistemas de enfriamiento evaporativo

Antes de hablar de enfriamiento por evaporación, es recomendable repasar la lectura de algunos parámetros en la carta psicrométrica (estudio de las características y efectos de la humedad en el confort).

Antes de hablar de enfriamiento por evaporación, es recomendable repasar la lectura de algunos parámetros en la carta psicrométrica (estudio de las características y efectos de la humedad en el confort).

Manuel Romero Sánchez.

En el eje horizontal podemos leer la Temperatura de Bulbo Seco (TBS) y en el vertical la Humedad Absoluta (HA). La TBS es la lectura que nos da el termómetro en un momento dado, mientras que la HA es la relación másica (g/kg) de humedad y aire en el ambiente. La carta psicrométrica está acotada del lado izquierdo por la curva de saturación. Esta línea nos indica que el aire ya no puede absorber más humedad. Este fenómeno es posible que ocurra a distintas temperaturas, dependiendo del contenido de humedad en el aire. Por la misma causa, la curva de saturación representa 100 por ciento de humedad relativa. Conforme nos vamos alejando de ella hacia el lado derecho, hay curvas de distintos porcentajes de saturación, conocidos también como Humedad Relativa (HR). La HR se describe como la relación volumétrica de la cantidad de humedad que hay en el aire, entre la cantidad máxima que éste puede absorber.

Al diseñar un sistema, normalmente se asume que la HA permanece constante durante el día; por lo tanto, la HR varía conforme cambia la TBS. En la curva de saturación se pueden leer los siguientes parámetros: Punto de Rocío (DP). Temperatura a la que se condensa la humedad al enfriar el aire sin agregar humedad. Temperatura de Bulbo Húmedo (TBH). Temperatura en la que el agua se evapora cuando se somete una superficie húmeda a un flujo de aire.

La TBH es la temperatura más baja que se puede conseguir con el enfriamiento evaporativo. La diferencia entre la TBS y la TBH representa el potencial de enfriamiento. Qué tanto se logre ese potencial está determinado por la eficiencia de enfriamiento (n). La TBH es menor cuanto menor es la HA, siendo el enfriamiento evaporativo una opción muy favorable en climas secos o en zonas elevadas por encima de 1 mil msnm. Al llevar a cabo el enfriamiento evaporativo, estamos realmente agregando humedad al aire. La HA a la salida de la media humectante va a ser mayor que en la entrada y nos acercará a la saturación. La diferencia con la refrigeración mecánica es que esta última no agrega humedad; más bien, puede deshumidificar cuando se sub-enfría. En sí, el enfriamiento evaporativo es el enfriamiento natural del aire cuando se somete a una superficie húmeda; es también conocido como enfriamiento adiabático y representa la forma más económica de obtener aire fresco. Hay que considerar que conforme se enfría, se va incrementando el contenido de humedad en el aire.

Un módulo típico de enfriamiento evaporativo consta de una media humectante (panel), una bomba de recirculación de agua, tuberías de distribución de agua sobre el panel y un tanque con flotador o sistema de nivel de agua. Las aplicaciones van desde el confort residencial hasta uso industrial o agropecuario.

Aquí lo importante es que la TBH y la HR cambian constantemente durante el día. A mayor temperatura, la HR tiende a ser mayor; por lo tanto, se incrementa el potencial de enfriamiento.

Ventajas y limitaciones del enfriamiento evaporativo

Qué se obtiene
•   Aire fresco
•   Temperaturas cercanas BH
•   Muy bajo consumo de energía
•   Incremento de humedad

Qué no se obtiene
•   Aire muy frío (congelación)
•   Temperaturas abajo del BH
•   Desempeño de un equipo de A/C
•   Saturación de humedad

Para obtener el máximo beneficio del enfriamiento evaporativo, hay que tomar en cuenta tres factores:

Gráfica 1. Velocidad de aire (m/s)

1. Temperatura efectiva
2. Eficiencia de enfriamiento (n)
3. Medios de enfriamiento

La temperatura efectiva es la sensación térmica que tenemos al someternos a una corriente de aire. Si la temperatura del aire está a 30 °C, pero estamos expuestos a un viento de 3 m/s, la sensación térmica real es como si estuviéramos estáticos a 22 °C (ver gráfica 1).

En otras palabras, si se quisiera obtener una sensación térmica de 22 °C, se debería bajar la temperatura a 30 °C y tener una corriente de aire a velocidad de 3 m/s. Esto abre muchas posibilidades de aplicación si se considera que prácticamente en cualquier punto del país se pueden obtener 30 °C con enfriamiento evaporativo.

La eficiencia de enfriamiento (n) es el porcentaje de acercamiento entre TBS y TBH, a través de la media humectante. La n es determinada por el área de paso y el tiempo de contacto entre el aire y la media humectante. Mayor eficiencia de enfriamiento también nos acerca a la saturación de la humedad. Los medios de enfriamiento más comerciales son la fibra de madera o paja, nebulización y panel de enfriamiento.

La fibra de madera es económica, pero posee una corta vida útil, baja velocidad y es poco efectiva para aplicaciones industriales (su eficiencia es de 70 a 80 por ciento).

La nebulización es de alta velocidad y eficiencia, además de tener una prolongada vida útil. Por otro lado, implica una costosa instalación y requiere de una bomba de alta presión (su eficiencia es de 85 a 97 por ciento).

El panel de enfriamiento es de alta velocidad, baja presión y larga vida útil; sin embargo, es sensible a la calidad del agua (su eficiencia es de 70 a 90 por ciento; con aplicaciones de hasta 96 por ciento).

En aplicaciones agropecuarias y si se utiliza como intercambiador de calor o como pre-enfriador, el enfriamiento evaporativo puede ser una opción muy viable en prácticamente todo el país. Para aplicaciones de confort residencial, es una opción viable en el altiplano, y su uso en confort industrial se puede extender hacia las tres principales ciudades, dependiendo de la ventilación que se maneje.

La Temperatura de Salida (TBS) se puede calcular de la siguiente manera:

Gráfica 2. Temperatura de salida

 

Parámetro Valor
Caudal 8,000 CFM
  13,600 m3/h
TBSe 36°C
TBH 24°C
TBSs 25°C
HRs 91%
Volume Esp 1.085 m3/kga
Densidad Aire 0.92 kga/m3
Caudal (m) 12,535 kga/h
H Absoluta e 0.01805 kgw/kga
H Absoluta s 0.02261 kgw/kga
Diferencia 0.00456 kgw/kga
Evaporación 57 kgw/h
Tabla 1.

Si se considera, por ejemplo, en Guadalajara una condición de diseño de TBS de 36° y TBH de 24 °C, la TBS sería de 25.2 °C. La forma correcta de calcular la evaporación es tomando en cuenta los datos directamente de la carta psicrométrica ajustada a la altura sobre el nivel del mar del sitio. Si se sigue el ejemplo de Guadalajara, la evaporación a las condiciones de diseño sería (ver tabla 1):

Se puede simplificar el cálculo con la siguiente fórmula:

E= 1.2 x Q x (TBSe – TBSs) x Fp
………..10,000

Donde
E = Evaporación (Galones / Hora)
Q = Caudal de aire (CFM)
TBSe = Temp. Bulbo Seco a la Entrada (°F)
TBSs = Temp. Bulbo Seco a la Salida (°F)
Fp = Factor de ajuste de presión

Margen de error de + / – 10%

Fp = Presión atmosférica local
……..Presión atmosférica a nivel del mar

Si se reemplazan estos valores, se obtiene un resultado de 59.4 l/h, menos de 5% de diferencia que con el cálculo en carta psicrométrica. Si se supone que el enfriador evaporativo del ejemplo en Guadalajara operará a partir de las 11:00 y se apagará a las 22:00 horas, el cálculo de la evaporación no se puede hacer linear, ya que la TBS cambia constantemente y por lo tanto los valores de TBH. Es decir, a un 90% de eficiencia, la temperatura durante el día se vería de esta manera en una gráfica (ver gráfica 3).

Debido a que la evaporación de agua varía en proporción directa a la TBS, la evaporación durante el día tendría diferentes comportamientos (ver gráfica 4).

La evaporación, bajo estas condiciones, sería de 520 litros en 11 horas de operación.

Parámetros: Refrigeración (A/C) Enfriamiento evaporativo
Requerimiento de energía 150 Tons. 250,000 CFM
Inversión en equipo (aprox.) US$ 135,000 US$ 70,000
Inversión en instalación (aprox.) US$ 90,000 US$ 50,000
Consumo promedio 150 kW/h (EER13) 50 kW/h
Temperaturas promedio (Exterior 36°C y 40% HR) 22-24°C 25-28°Cpasar
Tabla 2

Si se toma como caso de estudio un edificio de 3 mil 500 m2, con una carga térmica de 150 toneladas, haciendo la comparativa de utilizar A/C con expansión directa y enfriamiento evaporativo, el resultado sería el siguiente (ver tabla 2).

Es evidente que el aire acondicionado ofrece condiciones de confort más favorables, pero con el doble de inversión y con un consumo de energía tres veces más alto, en el mejor de los casos. La forma tradicional de instalar un equipo industrial es a través de ductos en el interior del edificio.

Los equipos puntuales hechos de polímero permiten llevar el aire a donde se requiere, aprovechando más el efecto térmico (wind chill) y reduciendo sustancialmente los costos en estructura y ductos. Al ser de polímero, estos equipos son muy ligeros para maniobrar e instalar.

Cuentan con ventilador axial de transmisión directa que les permite obtener altos volúmenes de aire con motores relativamente pequeños:

•   Para 8 mil CFM de descarga libre, motor de 1.5 HP
•   Para 16 mil 500 CFM de descarga libre, motor de 4.0 HP

A pesar del motor axial, su desempeño a caídas de presión inferiores a 1.0” de C.A. es prácticamente igual que uno de la misma capacidad en motor centrífugo. (ver gráfica 5).

Estos equipos se suministran con accesorios para su fácil instalación:

•   Llave de paso
•   Pre-filtro de agua
•   Manguera flexible
•   Brida de conexión a ducto

El sistema está equipado con panel de celulosa de alta densidad, que proporciona más de 85 por ciento de eficiencia en 4” de espesor. También cuenta con control y circuitos electrónicos para secuencias de arranque, drenado automático, protección de bomba e indicación de nivel de agua.

Tecnología de enfriamiento evaporativo indirecto (free cooling)
El enfriamiento evaporativo indirecto enfría el aire sin añadir humedad. Mediante el uso de un intercambiador de calor de flujo cruzado, resistente a la corrosión y hecho de polímero, el agua nunca entra en contacto con el aire que se suministra al cuarto. Usar el enfriamiento evaporativo indirecto como primera etapa de enfriamiento del aire exterior reduce sustancialmente los costos de energía.

En un día típico de verano, el enfriamiento evaporativo indirecto por sí solo puede bajar la temperatura del aire que entra en unos 16 °C o menos. La segunda etapa de enfriamiento es manejada por un aire acondicionado convencional. El uso de un sistema de enfriamiento evaporativo indirecto, en conjunto con un sistema mecánico de aire acondicionado, compensa la carga de refrigeración y disminuye significativamente el consumo de energía durante las condiciones pico de diseño. Este mismo intercambiador puede recuperar 50 por ciento del calor extraído del cuarto en los meses de invierno.

Otro rasgo importante es que el aire exterior que se usa para pre-enfriar el aire del cuarto se usa también para hacerlo pasar a través del serpentín condensador del sistema de refrigeración mecánica, el cual entra hasta un 20 por ciento más fresco, obteniendo una mejor eficiencia en el sistema.
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Manuel Romero Sánchez
Es egresado del ITESM, campus Monterrey. Ha cursado diplomados en Alta Gerencia, Ventilación Agropecuaria, Tratamiento de Agua en Enfriadores Evaporativos y Administración Internacional. Actualmente, es director General de Munters México. Cuenta con más de 15 años de experiencia en el medio de ventilación, humidificación, enfriamiento evaporativo, control de humedad y temperatura.

Comentarios

1 comentario en “Sistemas de enfriamiento evaporativo

  1. MIGUEL SAUCEDO dice:

    SI LA TEMPERATURA SUBE A MAS DE 40 GRADOS CENTIGRADOS EL AIRE EVAPORATIVO PIERDE SU EFICIENCIA ? SI ES ASI COMO SE PUEDE HACER MAS EFICIENTE, GRACIAS

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