EQUIPO PARA ENFRIAMIENTO DE AIRE EXTERIOR A TEMPERATURA INFERIOR A LA DE SU BULBO HÚMEDO, SIN COMPRESIÓN MECÁNICA.

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María del Carmen Casado Plaza
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1 EQUIPO PARA ENFRIAMIENTO DE AIRE EXTERIOR A TEMPERATURA INFERIOR A LA DE SU BULBO HÚMEDO, SIN COMPRESIÓN MECÁNICA. I - OBJETO. Es el objeto de este estudio la descripción del equipo y mostrar los cálculos que demuestren la viabilidad técnica del fin propuesto. II ANTECEDENTES. En el diagrama psicrometrico adjunto (nº 1), se puede observar el proceso deseado de enfriamiento del aire. En la primera etapa se produce un enfriamiento sensible del aire desde las condiciones exteriores (Madrid. Temperatura seca, T.S. = 36,5ºC, humedad absoluta, H. A. = 9,8 gr./kg.) a 24,5 ºC. En la segunda etapa se realiza un enfriamiento adiabático del aire pasando a 18ºC T.S, 11,5 gr./kg. H.A., temperatura que es inferior a la temperatura húmeda T. H. del aire exterior 21,4ºC. Estas operaciones se realizan en el módulo de tratamiento del aire del equipo. Para conseguir el agua fría necesaria para el enfriamiento sensible del aire se utiliza el módulo de enfriamiento del agua. Dispone de un panel evaporativo bañado al 50% superior por aire exterior y el 50 % inferior bañado por aire exterior preenfriado en una batería dispuesta para tal fin. El propósito de este enfriamiento en cascada del agua, es bajar el termómetro húmedo del aire de entrada al panel a un valor inferior a la temperatura deseada del agua. Estos procesos no son adiabáticos ya que se está cambiando calor con el exterior (Las fuentes de calor son las baterías de enfriamiento sensible del aire exterior). Los procesos termodinámicos que se producen en el panel, pueden observarse en los psicrometricos 2 y 3. Página 1 de 14

2 III DESCRIPCION DEL EQUIPO. Como pueden observarse en el croquis PROTOTIPO adjunto, el agua refrigerada en el panel evaporativo del módulo de enfriamiento de agua, es aspirada de la bandeja de recogida por un grupo motobomba y enviada a la batería 8, eliminador de calor sensible del aire exterior. El agua de salida de esta batería alimenta la batería 7 para preenfriamiento del aire exterior, con el fin de disminuir su termómetro húmedo y posibilitar el enfriamiento de agua a la temperatura deseada, 21ºC. En el panel evaporativo se pretende producir un enfriamiento en cascada del agua de proceso desde 26,5º C a 21º C. Una vez enfriada el aire en la batería sensible, realizamos otro adiabático en el panel evaporativo del módulo de tratamiento de aire, con el fin de conseguir 18ºC de temperatura de salida del aire tratado. El equipo se completa con ventiladores para forzar la circulación de aire, filtro para protección de baterías y paneles y compuertas para ajuste de caudales de aire, estando el conjunto contenido en un envolvente de chapa galvanizada aislada con paneles tipo sándwich. IV CALCULOS. IV.1. Batería de enfriamiento sensible. (8) Caudal de aire: 500 m3/h. Temp. Entrada de agua: 21 ºC. T.S. entrada aire: 36,5ºC Temp. Salida de agua: 24 ºC H.A. entrada aire: 9,8 gr./kg. T.S. salida aire: 24,5ºC. H.A. salida aire: 9,8 gr./kg. Densidad del aire: 1,2 Kg./m3. Calor específico del aire: 0,24 kc/kg. Producto densidad - calor ext. : 0,29 Calor latente del agua a 20º C: 0,580 Kc. /gr. Producto densidad calor latente: 0,7 Calor específico agua: 1 kc/ kg. ºC. Densidad de agua: 1 kg/l. Potencia batería= 500 x 0,29 (36,5 24,5) = kc/h. Caudal de agua= / 3 = 580 l/h. (Se adjunta cálculo de batería.) Página 2 de 14

3 IV.2. Batería de preenfriamiento. (7) Caudal de aire: 500 m3/h. T.S. entrada de aire: 36,5 ºC. T.S. salida del aire: 27 ºC. Potencia. 500 x 0,29 x (36,5 27) = 1.377,5 kc/h. Salto térmico de temperatura del agua = 1.377,5/580 = 2,4 ºC. Temperatura salida del agua: ,4 = 26,4 ºC. (Se adjunta cálculo de batería.) IV.3 Panel evaporativo. Se adjunta gráfico del fabricante. Se elige 150 mm espesor eficacia 97,5 %, caída de presión 60 Pa. IV.3.1 Panel evaporativo superior (ver psicrometrico 2). (1ª Etapa Enfriamiento de agua) Superficie bañada: 50 %. Caudal de aire: 500 m3/h. T.S. entrada de aire: 36,5 ºC. H.A. entrada de aire: 9,8 gr. /Kg. T. saturación adiabática aire de entrada: 21,3 ºC. T. S. salida de aire. 26,5 ºC. H.A. salida de aire: 20 gr. /Kg. T. Entrada de agua: 26,4ºC. Caudal de agua: 580 l/h. Potencia extraída del agua: 500 x 0,7 x 6 = Kc. /h. Enfriamiento del agua: / 580 = 3,6 ºC. Temperatura salida de agua: 26,4 3,6 = 22,8 ºC. Consideramos para el cálculo 23 ºC, valor valido al ser mayor que 21,4 ºC, temperatura de saturación adiabática del aire de entrada. Página 3 de 14

4 IV.3.2 Panel evaporativo inferior (ver psicrometrico 3). (2ª Etapa de Enfriamiento del agua). Superficie bañada: 50 %. T.S. entrada de aire: 27 ºC. H.A. entrada de aire: 9,8 gr. /Kg. T. S. salida de aire. 23 ºC. H.A. salida de aire: 15,8 fr. /h. T. saturación adiabática aire de entrada: 18,5 ºC. Caudal de aire: 500 m3/h. Temperatura entrada de agua: 23 ºC. Caudal de agua: 580 l/h. Potencia extraída del agua: 500 x 0,7 x 4,3 = Kc. /h. Enfriamiento del agua: / 580 = 2,5 ºC. Temperatura salida de agua: 23 2,5 = 20,5 ºC. Consideramos para el cálculo 21ºC, valor válido al ser mayor que 18,5 ºC, temperatura de saturación adiabática del aire de entrada. V METODO DE ENSAYO PROTOTIPO. Al equipo se le suministrará durante el ensayo aire a 36,5 ºC con 9,8 gr. /Kg. de humedad absoluta. Para ello en la admisión de aire se instalará un conducto que incorpora una resistencia eléctrica y un distribuidor de vapor para lograr las condiciones deseadas. Partimos de un aire a 12 ºC y 6 g/kg de H.A. La potencia de la batería eléctrica será de 12 Kw. y el humectador de 8 kg/h., equivalentes a 5,4 Kw. eléctricos. El control de la temperatura y humedad será proporcional mediante sonda de temperatura y humedad sobre válvula de corriente y humectador. El equipo se monitorizará con las sondas de temperatura y humedad que figuran en el plano del equipo para registrar los parámetros principales de temperatura de agua, aire y humedad relativa en todas las fases del proceso, disponiendo de registro continuo de estos valores. Página 4 de 14

5 VI OTRAS APLICACIONES. El croquis adjunto, variante 1, idéntico al prototipo pero sin enfriamiento adiabático del aire tratado. Se usa en instalaciones que necesitan una H.R. baja. El croquis adjunto, variante 2, también idéntico al prototipo pero sin batería de preenfriamiento en el módulo de agua. Se usa cuando se disponga de aire de extracción procedente de ambientes acondicionados con T. H. suficientemente baja para el proceso. Puede tener ó no enfriamiento adiabático del aire tratado. Hacemos notar que en esta aplicación y dependiendo de las condiciones del aire de extracción, se podría suprimir la 1ª etapa del enfriamiento evaporativo. El croquis adjunto, variante 3, es idéntico al prototipo, añadiendo el juego de válvulas solenoides que figuran en el plano. Se usa cuando se dispone de aire de extracción procedente de ambientes acondicionados. En verano este aire a 24º C no se altera en la batería 7 las condiciones del agua refrigerante, también a 24ºC y permanecen abiertas las válvulas automáticas del panel evaporativo y cerrada la del by-pass. En invierno se cierran las válvulas del panel, abriéndose el by-pass. De esta forma transferimos el calor del aire de extracción del aire tratado. En esta situación se puede usar la batería de enfriamiento adiabático para humectar el aire. En cualquiera de los tipos podrán añadirse sistemas convencionales de enfriamiento ó calentamiento del aire tratado. VII COMPARACION RENDIMIENTO CON ENFRIAMIENTO POR COMPRESION MECANICA. Partimos de lo que sigue: Caudal de aire tratado: 500 M3/H. Enfriamiento del aire tratado: 18,5 ºC. Potencia: 500 x 0,29 x 18,5 = 2.682,5 kc/h = 3,2 kw. Caudal de aire auxiliar: m3/h. Presión total del ventilador: 20 mm.c.d.a. Rendimiento del ventilador: 0,6. Caudal de la bomba: 580 l/h = 0,16 l/s. Altura manométrica de la bomba: 8 m.c.d.a. Rendimiento de la bomba: 0,7 COP compresión mecánica: 2,5 Potencia compresión mecánica: 3,2/ 2,5 = 1,28 kw. Página 5 de 14

6 Potencia ventilador: Potencia bomba: x = 0,09 Kw x102x0,6 0,16 x x 0,736 = 0,02 Kw. 75 x 0,7 Potencia Total del Prototipo: 0,09 + 0,02 = 0,11 Kw. Relación = Potencia de Compresión Mecánica / Potencia Total Prototipo = = 1,28 / 0,11 = 11 veces más eficaz el sistema proyectado que el convencional de compresión mecánica. VIII CONCLUSION. Los cálculos anteriores son totalmente rigurosos en lo que se refiere a las baterías de agua están perfectamente determinadas y físicamente dimensionadas. Sin embargo, no disponemos de datos que permitan conocer las condiciones del aire a la salida en los paneles de enfriamiento evaporativo. Los disponibles en el mercado, normalmente se usan para el enfriamiento adiabático del aire y los fabricantes solo tienen ensayado sus paneles respecto a su eficacia en la saturación adiabática del aire. Los cálculos anteriores están basados en un enfriamiento del aire hasta la temperatura de entrada del agua. Variaciones de este valor hacen variar también los parámetros de diseño, por lo que se hace necesario ensayar el prototipo con los espesores y calidades del mercado, para determinar sobre todo la profundidad de las celdillas del panel evaporativo. JOSE MANUEL CRUZ ALONSO. RAFAEL CRUZ MARZO. JUAN SANTANA SORIA. Página 6 de 14

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