La importancia de una correcta humidificación (sistemas de enfriamiento evaporativo) Ing. Yair de Jesús Balderas, Ing. Manuel Romero Sánchez

Transcripción

1 La importancia de una correcta humidificación (sistemas de enfriamiento evaporativo) Ing. Yair de Jesús Balderas, Ing. Manuel Romero Sánchez Antes hablar de enfriamiento evaporativo demos un pequeño repaso a la lectura de algunos parámetros en la carta psicrométrica. 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 y este fenómeno puede ocurrir a distintas temperaturas dependiendo del contenido de humedad en el aire. Por lo mismo, la curva de saturación representa el 100% de humedad relativa y a como nos vamos alejando de ella hacia el lado derecho hay curvas de distintos porcentajes de saturación, conocidos también como Humedad Relativa (HR). La HR la describimos como la relación volumétrica de la cantidad de humedad que hay en el aire entre la cantidad máxima que este puede absorber. Al diseñar un sistema normalmente asumimos que la HA permanece constante durante el día y por lo tanto, la HR varia a como va cambiando 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 superfi cie húmeda a un fl ujo de aire. La TBH es la temperatura más baja que se puede conseguir con el Enfriamiento Evaporativo, la diferencia entre la TBS y TBH representa el potencial de enfriamiento y que tanto se logre ese potencial está determinado por la efi ciencia de enfriamiento (n). La TBH es menor cuando menor es la HA, siendo el Enfriamiento Evaporativo una opción muy favorable en climas secos o en zonas elevadas arriba de 1,000 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 y mas bien puede deshumidifi car cuando se sub-enfria. En sí, el Enfriamiento Evaporativo es el enfriamiento natural del aire cuando se somete a una superfi cie húmeda, es también conocido como Enfriamiento Adiabático y representa la forma más económica de obtener aire fresco. Hay que considerar que a como va enfriando se va incrementando el contenido de humedad en el aire. Un módulo típico de enfriamiento evaporativo consta de de media humectante (panel), una bomba de recirculación de agua, tuberías de distribución de agua sobre el panel y un tanque con fl otador o sistema de nivel de agua. Las aplicaciones van desde el confort residencial hasta uso industrial o agropecuario. Aquí lo importante a considerar es que la TBH y la HR cambian constantemente durante el día. A mayor temperatura la HR tiende a ser mayor y por lo tanto se incrementa el potencial de enfriamiento. Es importante conocer las ventajas y limitaciones del Enfriamiento Evaporativo: Que obtenemos Aire fresco Temperaturas cercanas BH Muy bajo consumo de energía Incremento de humedad Que no obtenemos Aire muy frío (Congelación) Temperaturas abajo del BH Desempeño de un equipo de A/C Saturación de humedad Para obtener el máximo benefi cio del Enfriamiento Evaporativo hay que tomar en cuenta 3 factores: Temperatura Efectiva Efi ciencia de Enfriamiento (n) Medios de Enfriamiento La Temperatura Efectiva es la sensación térmica que tenemos al someternos a una corriente de aire. La temperatura del aire esta a 30 C pero estamos expuestos a un viento de 3m/s la sensación térmica real es como si estuviéramos estáticos a 22 C

2 En otras palabras, si quisiéramos tener una sensación térmica de 22 C lo que tenemos que hacer es 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 consideramos que prácticamente en el cualquier punto del país se pueden obtener 30 C con enfriamiento evaporativo. La Efi ciencia de Enfriamiento (n) La efi ciencia de enfriamiento es el % de acercamiento entre TBS à TBH a través de la media humectante. n es determinada por área de paso y tiempo de contacto entre el aire y la media humectante Mayor efi ciencia de enfriamiento también nos acerca a la saturación de la humedad. Los Medios de Enfriamiento más comerciales son la fi bra de madera o paja, nebulización y panel de enfriamiento Media Ventajas Desventajas Eficiencia - Económico. - Corta vida útil. - Baja velocidad. - Poco efectivo en aplicaciones industriales 60 70% - Alta velocidad. - Prolongada vida útil. - Alta eficiencia. -Costo instalación. - Uso de agua DM. - Requiere bomba de alta presión % - Alta velocidad - Baja caída de presión. - Larga vida útil. -Sensible a la calidad del agua % Con aplicaciones de hasta 96% En aplicaciones agropecuarias y utilizado 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 en las 3 principales ciudades dependiendo de la ventilación que se maneje. La Temperatura de Salida (TBSs) se puede calcular de la siguiente manera:

3 TBSe = 36 C TBH = 24 C n = 90% Altura = 1528 msnm TBSs = 25.2 C 36 C 25 C Considerando en Guadalajara una condición de diseño de TBS de 36 y TBH de 24 C, la TBSs seria 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. Siguiendo el ejemplo de Guadalajara, la evaporación a las condiciones de diseño serían: Parámetro Valor Caudal 8,000 CFM 13,600 m3/h TBSe 36 C TBH 24 C TBSs 25 C HRs 91% Volume Esp m3/kga Densidad Aire 0.92 Kga/m3 Caudal (m) 12,535 Kga/h H Absoluta e: Kgw/Kga H Absoluta s: Kgw/Kga Diferencia: Kgw/Kga Evaporación: 57 Kgw/h Se puede simplifi car mucho el cálculo con la siguiente fórmula: 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%

4 Reemplazando estos valores, nos da un resultado de 59.4 Lts/h, menos de 5% de diferencia que con el cálculo en carta psicrométrica. Suponiendo que el enfriador evaporativo del ejemplo en Guadalara operara a partir de las 11:00 AM y se apagara a las 22:00 PM, el cálculo de la evaporación no se puede hacer linear ya que la TBS cambia constantemente y por lo tanto los valors de TBH. Es decir, a un 90% de efi ciencia la temperatura durante el día se vería de esta manera en una gráfi ca Temperatura Hora TBS TBH TBSs Ya que la evaporación de agua varia en proporción directa a la TBS, la evaporación durante el día tendría el siguiente comportamiento: Hor a La evaporación a estas condiciones sería de 520 Lts en 11 horas de operación. Tomando un caso de estudio de un edifi cio de 3,500 m2 con una carga térmica de 150 Toneladas, haciendo la comparativa de utilizar

5 A/C con expansión directa y Enfriamiento Evaporativo, el resultado sería el siguiente: Parámetros: Refrigeración Enfriamiento evaporativo Requerimiento de Energía. (A/C) 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 150KWh (EER13) 50 KWh Temperaturas Promedio (Exterior C C 36 C@40% HR) Es evidente que el A/C nos ofrece condiciones de confort más favorables, pero con el doble de inversión y con un consumo de energía 3 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 edifi cio: Equipos puntuales hechos de polímero permiten llevar el aire a donde se requiere aprovechando más el efecto de térmico (Wind Chill) y reduciendo sustancialmente los costos en estructura y ductos:

6 Al ser de polímero, estos equipos son muy ligeros para su fácil maniobra e instalación: Cuentan con ventilador axial de transmisión directa obteniendo altos volúmenes de aire con motores relativamente pequeños: Para 8,000 CFM de descarga libre: Motor de 1.5 HP Para 16,500 CFM de descarga libre: Motor de 4.0 HP A pesar del motor axial, su desempeño a caídas de presión inferiores de 1.0 de C.A. es prácticamente igual que uno de la misma capacidad en motor centrífugo: Estos equipos se suministran con accesorios para su fácil instalación como: Llave de paso Prefi ltro de agua Manguera fl exible Brida de conexión a ducto. El equipo está equipado con panel de celulosa de alta densidad que proporciona más de 85% de efi ciencia en 4 de espesor. Equipado con control y circuitos electrónicos para secuencias de arranque, drenado automático, protección de bomba e indicación de nivel de agua.

7 Tecnología de enfriamiento Evaporativo indirecto (free cooling) Descripción del producto El enfriamiento evaporativo Indirecto enfría el aire sin añadir humedad. Mediante el uso de un intercambiador de calor de fl ujo 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 más. 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 A / A, compensan la carga de refrigeración y reduce signifi cativamente el consumo de energía durante las condiciones pico de diseño. Este mismo intercambiador puede recuperar 50% del calor extraído del cuarto en los meses de invierno. Otro rasgo importante es que 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% mas fresco obteniendo una mejor efi ciencia del sistema.

8 Diagrama esquematico de operación Características Unidad paquete de techo diseñada para manejar 5000 CFM de aire exterior. Enfriamiento evaporativo Indirecto más 10 toneladas de refrigeración de post-enfriamiento ofrecen 20 toneladas nominales de enfriamiento total. 21 EER en un día típico de verano oeste de EE.UU. (98 F db/65 F BM) En invierno se usa la recuperación del calor con opción de post-calentamiento. (a base de compuertas en retorno y aire exterior). Basin pequeño con un sistema automático de limpieza que reduce la necesidad de una limpieza periódica y el tratamiento biocida del agua.