REFRIGERACION EVAPORATIVA
REFRIGERACIÓN EVAPORATIVA
52ª Nota informativa sobre tecnologías de refrigeración
del Instituto Internacional del Frío
Por término medio, el consumo de energía de un sistema de refrigeración evaporativa puede
ser cuatro veces inferior al de un aparato convencional con la misma potencia de refrigeración
Esta nota informativa ha sido elaborada por Renato Lazzarin
(Presidente de la Comisión E del IIR "Aire acondicionado, bombas de calor y recuperación de energía")
INTRODUCCIÓN
El principio del enfriamiento evaporativo se basa en el hecho de que la evaporación de un líquido absorbe mucho más calor del necesario para elevar su temperatura unos pocos grados. Un ejemplo sencillo es la sensación de frío que se experimenta al salir de una piscina al aire libre, con viento, incluso cuando hace calor. El agua se evapora de la piel. Así se elimina el calor necesario para el proceso de evaporación y la piel se enfría.
Este proceso se utiliza (en combinación con otros) en los sistemas convencionales de refrigeración y aire acondicionado. Sin embargo, el término "refrigeración evaporativa" se refiere a la refrigeración obtenida únicamente por la evaporación del agua en el aire.
Los principales procesos de enfriamiento evaporativo son: enfriamiento evaporativo directo, enfriamiento evaporativo indirecto y una combinación de ambos. La presente nota describe las aplicaciones y condiciones en las que estos procesos pueden ofrecer una ventaja técnica y económica. Encontrará una descripción y más explicaciones técnicas en una Nota Técnica sobre Refrigeración Evaporativa[1] en la página web del IIR: www.iifiir.org.
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO
La refrigeración evaporativa se basa en dos fenómenos importantes:
- · a temperatura y presión estándar, se necesita aproximadamente 60 veces más calor para evaporar una cierta cantidad de agua que para aumentar su temperatura 10°C;
- · el aire no saturado de humedad puede absorber una cierta cantidad adicional de vapor de agua, en cuyo caso el calor contenido en el aire es absorbido por la vaporización del agua. Este cambio de fase de líquido a vapor provoca el enfriamiento simultáneo del aire y del agua que permanece en estado líquido.
Entonces, la inyección de finas gotas de agua en un flujo de aire no saturado (Figura 1) hace que la temperatura disminuya con un aumento simultáneo de la humedad. El efecto de enfriamiento depende de la temperatura del aire, de la humedad relativa y de la eficacia de saturación del humidificador. La eficacia de saturación en la humidificación adiabática es la relación entre el aumento de la humedad específica x en el proceso (x2-x1) y el aumento máximo obtenible (xwb-x1) alcanzando la saturación con una humedad relativa del 100%, como se ilustra en la Figura 2.
Se puede alcanzar una eficiencia del 80-90%. La Figura 3 permite evaluar el enfriamiento específico, kJ por cada kg de aire, y el descenso de temperatura que puede obtenerse humidificando el aire (cuya temperatura inicial está en las abscisas) para distintas tasas de humedad relativa (%) cuando la eficiencia de saturación es del 100%.
Figura 1: Esquema de un humidificador adiabático
Figura 2: Humidificación por saturación adiabática mediante la introducción de agua líquida
Figura 3: Energía específica de refrigeración (q) y reducción de temperatura (temperatura final t2 - temperatura inicial t1)
alcanzables mediante humidificación adiabática del aire, con eficiencia de saturación h = 100%, en función de
la temperatura inicial (t1) y de la humedad relativa (f1)
En lo que sigue, los procesos se refieren principalmente al enfriamiento evaporativo del aire en instalaciones de aire acondicionado. Por supuesto, el aire enfriado por evaporación puede generar agua fría en un intercambiador de calor gas-líquido adecuado. En función de la eficacia del intercambiador de calor, la temperatura final del agua puede aproximarse a la del aire.
La mayor diferencia de temperatura obtenible en un proceso de saturación adiabática simple es (t1-twb), donde twb es la temperatura de saturación. (La temperatura de saturación puede evaluarse en un diagrama psicrométrico cuando la línea adiabática del punto que representa el estado del aire (identificado por la temperatura de bulbo seco (abscisas) y la humedad específica (ordenadas) se encuentra con la curva de saturación (100%)).
Se puede aplicar un proceso alternativo que permite reducir la temperatura en mayor medida que el enfriamiento evaporativo convencional descrito anteriormente. Se trata del llamado ciclo Maisotsenko [2]. Mientras que en el proceso de humidificación adiabática convencional el límite de temperatura más bajo es la temperatura de saturación, en este ciclo el límite se amplía a la temperatura del punto de rocío, es decir, la temperatura que se alcanza cuando el aire se enfría a una humedad específica constante hasta la saturación (Figura 4).
Figura 4: Temperaturas de bulbo húmedo y punto de rocío del aire a una temperatura de bulbo seco de 24°C
y una humedad específica de 10gkga-1, respectivamente 17,5°C y 14°C
El resultado se consigue enfriando una corriente de aire primario por contacto indirecto con una corriente de aire de trabajo enfriada por evaporación. En la Figura 5 se representa un esquema propuesto recientemente [3].
![El resultado se consigue enfriando una corriente de aire primario por contacto indirecto con una corriente de aire de trabajo enfriada por evaporación. En la Figura 5 se representa un esquema propuesto recientemente [3].](/archivos/informacion/230703135906_iif-6.jpg "El resultado se consigue enfriando una corriente de aire primario por contacto indirecto con una corriente de aire de trabajo enfriada por evaporación. En la Figura 5 se representa un esquema propuesto recientemente [3].")
Figura 5: Configuración a contraflujo perforada de un sistema de
evaporación indirecta basado en el ciclo Maisotsenko
Una corriente de aire de trabajo fluye por un canal húmedo situado debajo del canal de aire primario. La corriente de trabajo entra en el canal húmedo a través de una pared perforada y se enfría a medida que fluye por el canal seco situado debajo. De este modo, la temperatura del fluido de trabajo tiene una temperatura de bulbo húmedo baja, que irá disminuyendo (Figura 6). Al final del intercambio de calor, la corriente de trabajo restante se aproxima a la temperatura del punto de rocío para que, en el intercambio de calor de contraflujo, el fluido pueda tender hacia esta temperatura. El descenso de temperatura potencialmente alcanzable debe considerarse junto con la complejidad del sistema, comercializado recientemente.
![Disminución secuencial de la temperatura en el canal húmedo, acercándose a la temperatura del punto de rocío [3]](/archivos/informacion/230703135307_iif-7.jpg "Disminución secuencial de la temperatura en el canal húmedo, acercándose a la temperatura del punto de rocío [3]")
Figura 6: Disminución secuencial de la temperatura en el canal
húmedo, acercándose a la temperatura del punto de rocío [3]
La cantidad de vapor de agua contenida en el aire saturado aumenta más rápidamente que la temperatura. Por ello, la refrigeración evaporativa es especialmente interesante en regiones con climas cálidos y secos, siempre que el suministro de agua no sea un problema. Por el contrario, el potencial de enfriamiento evaporativo disminuye y tiende a cero cuando el aire está cerca de los niveles de saturación de humedad. En climas húmedos, sin embargo, el enfriamiento evaporativo puede utilizarse a nivel del condensador en sistemas de refrigeración convencionales o intercambiadores de calor para procesos industriales.
La refrigeración evaporativa directa es el proceso más sencillo: el aire exterior atraviesa un espacio cerrado donde entra en contacto con el agua, ya sea en forma de finas gotitas (Figura 7) o saturando un medio poroso. El agua se evapora en el aire, enfriándolo y humedeciéndolo. Debido a las limitaciones prácticas de estos sistemas, la humedad relativa no alcanza el 100%, sino algunos puntos porcentuales menos. Los fabricantes llaman a este proceso "enfriamiento adiabático" porque el único intercambio de calor que se produce es entre el aire y el agua con la que está en contacto.
Figura 7: Esquema de un humidificador adiabático
El efecto de enfriamiento es apreciable cuando la humedad es bastante baja, y en algunos casos puede satisfacer toda la carga sensible de una planta de aire acondicionado, al tiempo que proporciona -en climas muy secos- el contenido de humedad necesario. Aunque la refrigeración evaporativa directa puede considerarse una tecnología de refrigeración eficaz y barata, hay que tener en cuenta algunos inconvenientes:
- · Sólo puede utilizarse en un clima cálido y seco donde las cargas latentes sean bajas.
- · El contenido de humedad del aire suministrado puede llegar a ser demasiado alto, lo que requiere una deshumidificación posterior.
- · Se requiere un suministro de agua, con un consumo potencialmente elevado.
- · El humidificador requiere un mantenimiento adecuado para evitar el riesgo de proliferación bacteriana. Varias medidas permiten superar estos inconvenientes. El uso de humidificadores de pulverización de agua a presión y de un solo paso minimiza la proliferación bacteriana y el consumo de agua [4].
Enfriamiento evaporativo indirecto: en este caso, el aire utilizado para enfriar la habitación pasa a través de un intercambiador de calor situado en un espacio cerrado enfriado por evaporación. Como la cantidad de vapor de agua en el aire permanece invariable, la humedad relativa del aire aumenta en menor medida que en el caso de la refrigeración directa, con un descenso de la temperatura casi igual. La presencia del intercambiador de calor hace que la temperatura disminuya ligeramente menos que en los sistemas de refrigeración directa. En principio, el aire de renovación siempre puede enfriarse indirectamente, es decir, utilizando un intercambiador de calor y una corriente de aire exterior convenientemente humidificado (en teoría, siempre que no esté saturado). En muchos casos, esta operación es aún más eficaz y previsible si la corriente de aire refrigerante es el aire de escape.
La Figura 8 representa el proceso. El aire ambiente (A), antes de ser expulsado, se humidifica: su temperatura disminuye (C), por lo que puede utilizarse para el intercambio de calor con el aire fresco (E), que se enfría sin modificar su contenido de humedad (X). Tras el intercambio de calor, el aire se expulsa a una temperatura más elevada (O).
Figura 8: Representación en el diagrama psicrométrico de la refrigeración evaporativa indirecta.
A= aire ambiente extraído; C= después de la humidificación; O= extraído después del intercambiador de calor;
E= aire exterior fresco; X= después del intercambio de calor
Figura 9: Esquema de la refrigeración evaporativa indirecta y directa.
En primer lugar, el aire exterior fresco se enfría indirectamente.
Finalmente, el flujo total de aire se enfría por evaporación directa
Enfriamiento evaporativo indirecto y directo: Si las condiciones climáticas lo permiten, pueden utilizarse técnicas de enfriamiento evaporativo tanto indirecto como directo. En primer lugar, el aire exterior puede enfriarse indirectamente mediante el aire descargado convenientemente humidificado y, a continuación, humidificarse. Si esto no es suficiente por sí solo para alcanzar una temperatura y/o humedad de impulsión adecuadas, pueden utilizarse serpentines de refrigeración y/o deshumidificación, alimentados por unidades de refrigeración (Figura 9) [5,6].
AHORRO DE ENERGÍA Y CONSUMO DE AGUA
Por término medio, el consumo de energía puede ser 4 veces menor [7] que el de un dispositivo convencional con la misma potencia de refrigeración, pero puede ser hasta 10 veces menor en un clima cálido y seco [8,9]. El coste operativo global es aproximadamente 20 veces inferior al de un sistema estándar de compresión de vapor [1].
El consumo de agua puede ser preocupante, sobre todo en regiones áridas, donde la refrigeración evaporativa es la más beneficiosa. La evaporación de 1 metro cúbico de agua puede producir un efecto refrigerante de unos 2,5 x106 kJ (700 kWh). Un sistema de aire acondicionado convencional con un coeficiente de rendimiento (COP) de 3 necesitaría hasta 230 kWh de electricidad para el mismo efecto de refrigeración. En la práctica, se utiliza una fracción (en torno al 20%) del agua, no para enfriar el aire, sino para evitar el depósito de minerales que puede resultar de una concentración excesiva debida a la evaporación. Hay que controlar la calidad del agua y tratarla si es necesario, mediante desinfección, filtración o desmineralización:
por razones sanitarias: sobre todo en los sistemas de recirculación de agua, hay que tener en cuenta el riesgo de legionelosis. Por otra parte, en el caso de la refrigeración directa por aire para viviendas o lugares de trabajo, existe el riesgo de migración de aerosoles y el agua no debe contener agentes patógenos;
por razones técnicas: cuantos más minerales y partículas haya en suspensión en el agua, más frecuentes serán las operaciones de "aclarado", ya que el agua sobrecargada puede resultar inutilizable. Esto aumentará el consumo de agua a igual capacidad de refrigeración.
APLICACIONES DE LA REFRIGERACIÓN EVAPORATIVA
La elección del sistema de refrigeración (directa, indirecta o en dos etapas, o incluso en varias etapas, con o sin recirculación de aire o agua) es una elección técnica y económica que depende de la temperatura y la humedad del aire ambiente, de las posibles necesidades de temperatura y humedad de los locales refrescados y de la calidad del agua. El aire enfriado por refrigeración directa sólo puede impulsarse al interior de los locales si la calidad del agua lo permite.
Aire acondicionado
La principal aplicación de la refrigeración evaporativa es la climatización de locales en regiones cálidas y áridas, con la reducción de la temperatura del aire y el aumento de la humedad antes descritos. Sin embargo, este aumento de la humedad debe evaluarse cuidadosamente. En climas cálidos, la regulación térmica del cuerpo humano depende precisamente del enfriamiento evaporativo, ya que la transpiración es la evaporación de agua a través de los poros y este proceso natural de regulación se ve dificultado cuando el aire es demasiado húmedo. En general, se considera que las condiciones de confort térmico humano se cumplen cuando la temperatura se sitúa entre 20 y 27°C y la humedad relativa entre 30 y 65-70%. Sin embargo, la definición de qué condiciones de temperatura y humedad se consideran "confortables" para el cuerpo humano depende, al menos en cierta medida, de la percepción individual. También hay que tener en cuenta el papel de la ropa en lo que respecta a la sensación de frescor, así como la humedad relativa del aire y su velocidad (tasas de renovación del aire, ventiladores), la temperatura exterior y el clima local. Esta es la razón por la que el enfriamiento evaporativo indirecto, que no aumenta la humedad del aire, puede encontrar aplicación frecuente en climas menos áridos.
El aire acondicionado no sólo es importante para los humanos, sino también para el ganado: el calor extremo repercute en su salud, cría y crecimiento. Además, las aves de corral carecen de regulación térmica cutánea (evapotranspiración), por lo que una temperatura excesiva puede resultar fatal.
Refrigeración de condensadores en sistemas de refrigeración tradicionales
En los sistemas convencionales de refrigeración y aire acondicionado, el calor se descarga al ambiente a nivel del condensador. La refrigeración del condensador mediante agua enfriada por evaporación puede mejorar el rendimiento del aparato. Por cierto, este principio se utiliza ampliamente en condensadores y condensadores adiabáticos, incluso en climas húmedos.
Refrigeración de líquidos
El proceso es similar a la refrigeración indirecta descrita anteriormente, salvo que aquí el agua u otro líquido pasa a través del intercambiador (que a su vez se enfría mediante refrigeración evaporativa directa, como ya se ha mencionado). El líquido enfriado puede utilizarse entonces para el aire acondicionado o para evacuar el calor generado por un proceso industrial, por ejemplo. En este último caso, el enfriamiento evaporativo puede suponer una ventaja económica y técnica, incluso en un clima relativamente húmedo.
Almacenamiento de alimentos perecederos
En los países cálidos, el enfriamiento evaporativo no puede alcanzar las temperaturas de conservación recomendadas para los productos de origen animal ni para la mayoría de los productos de origen vegetal. Sin embargo, en algunos casos, puede ralentizar considerablemente el proceso de deterioro de las frutas y hortalizas tropicales, lo que se traduce en ganancias apreciables en términos de vida útil y tiempo de comercialización.
El aumento de la humedad relativa reduce el marchitamiento y la pérdida de peso por evapotranspiración de frutas y hortalizas, pero un exceso de humedad relativa favorece la proliferación de organismos no deseados, entre ellos hongos (botrytis, penicillium...), lo que provoca el deterioro de los productos, o incluso la producción de biotoxinas. Para la conservación de frutas y verduras, la humedad recomendada suele ser del 85-95%. También hay que tener en cuenta el riesgo de corrosión de las partes metálicas.
Preenfriamiento
Cuando el enfriamiento evaporativo no puede alcanzar las temperaturas deseadas, puede, en algunos casos, utilizarse para operaciones de preenfriamiento con el fin de reducir el consumo de energía de los dispositivos convencionales utilizados para alcanzar las temperaturas requeridas, así como el dimensionamiento de estos dispositivos, lo que permite reducir los costes de funcionamiento y de inversión.
En las zonas de clima continental, alejadas de las principales fuentes de humedad, suelen observarse temperaturas más elevadas en la estación seca. Esto provoca una fuerte amplitud térmica diaria, con una humedad relativa muy baja en el periodo más caluroso del día. Una situación similar se da en los climas templados susceptibles de sufrir episodios de vientos cálidos y secos procedentes del desierto, como en la ribera sur del Mediterráneo. En estas regiones, la refrigeración evaporativa es, por tanto, más beneficiosa durante los periodos más cálidos. Esto es importante, porque el rendimiento de los equipos convencionales disminuye a medida que aumenta la temperatura exterior. Esto también se aplica a todos los sistemas que utilizan el enfriamiento evaporativo en combinación con otro proceso de enfriamiento. La ventaja potencial del enfriamiento evaporativo es, por tanto, doble: por un lado, permite reducir el tamaño de los sistemas convencionales que funcionan en condiciones habituales y, por otro, permite reducir el sobredimensionamiento de los dispositivos que serían necesarios para hacer frente a temperaturas más elevadas.
Refrigeración de centros de datos
Una aplicación cada vez más extendida de la refrigeración evaporativa es la refrigeración de centros de datos. Los centros de datos consumen mucha energía, lo que se traduce en el correspondiente desarrollo de calor que debe disiparse para mantener unas condiciones interiores aceptables tanto para los operadores como para los equipos de TI (Tecnologías de la Información). La refrigeración evaporativa directa es un método de refrigeración muy eficaz, que permite expulsar el aire caliente al exterior al tiempo que enfría el aire fresco mediante la evaporación directa del agua. Cuando las condiciones de humedad exterior impiden la evaporación directa, la refrigeración evaporativa indirecta es una posible solución.
CONCLUSIONES
Debido a su bajo coste y a su eficacia en un clima cálido y seco, la refrigeración evaporativa debería utilizarse más ampliamente:
- · para la climatización de viviendas y lugares de trabajo, que es actualmente el uso más extendido,
- · para la climatización de naves de cría en climas cálidos y secos (para todo tipo de ganado).
- · para el almacenamiento a corto plazo de productos que pueden estar sometidos a temperaturas relativamente cálidas y que se deteriorarían rápidamente en caso de calor más intenso.
El creciente coste de la energía también puede aumentar la ventaja comparativa del enfriamiento evaporativo para el preenfriamiento y enfriamiento de condensadores de sistemas de refrigeración convencionales y algunos intercambiadores de calor en climas cálidos moderadamente húmedos.
Por término medio, el consumo de energía puede ser 4 veces inferior al de un aparato convencional con la misma potencia de refrigeración, pero puede ser 10 veces menor en un clima cálido y seco. La evaporación de 1 metro cúbico de agua puede alcanzar un efecto refrigerante de unos 2,5 x106 kJ (700 kWh). Un sistema de aire acondicionado convencional con un coeficiente de rendimiento (COP) de 3 necesitaría hasta 230 kWh de electricidad para el mismo efecto de refrigeración. Por lo tanto, siempre que el suministro de agua no sea un problema, se recomienda encarecidamente la refrigeración evaporativa.
REFERENCIAS
[1] Lazzarin, R. , 2015. Evaporative Cooling, 27th Informatory Note on refrigeration technologies.
[2] Dizaji H.S., Hu E.J., Chen L., A comprehensive review of the Maisotsenko-cycle based air conditioning systems, Energy, 156, 725-749, 2018.
https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.05.086
[3] Mahmood, M.H., Sultan M., Miyazaki T., Koyama S., Maisotsenko, V.S., Overview of the Maisotsenko cycle - A way towards dew point evaporative cooling, Renew. Sust. Energ. Rev. 66, 537-555, 2016.
http://doi.org/10.1016/j.rser.2016.08.022
[4] Lazzarin R., Nalini L., Air humidification: technical, health and energy aspects, Carel, Brugine, Chapt. 7: Adiabatic humidifiers, pp. 1-600, 2004..
[5] Jain, S., 2008. Emulating nature: evaporative cooling systems, ASHRAE Transactions, volume 114, Part 2. ASHRAE, Atlanta, United States.
http://www.thefreelibrary.com/Emulating nature: evaporative cooling systems.-a0201378222
[6] Bruno, F. , 2010. On-site testing of a novel indirect evaporative cooler. 9th IIR-Gustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids (GL2010). Proceedings. Sydney, Australia, April 12-14, 2010.
[7] Energy.gov, 2012. Energy savers: evaporative-coolers. USA Department of Energy.
http://energy.gov/energysaver/articles/evaporative-coolers
[8] Herman, T., 2009. Two-stage evaporative cooling made easy. RACA Journal, Volume 28, 7.
[9] Jaber, S., y otros, 2011. Evaporative cooling as an efficient system in Mediterranean region. Applied Thermal Engineering, Volume 31, Number 14-15, November 2011.
http://dx.doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2011.04.026
RECOMENDACIONES DEL IIR
Las tecnologías de refrigeración evaporativa pueden tener un impacto medioambiental muy positivo al reducir la demanda de electricidad y otros combustibles para hacer funcionar la refrigeración en diversas aplicaciones en regiones donde la disponibilidad de agua no es un problema.
Por ello, el IIR insiste en la necesidad de:
- · Desarrollar sólidas campañas mundiales sobre las ventajas económicas y medioambientales de las tecnologías de refrigeración evaporativa para sensibilizar a los usuarios potenciales, ingenieros, arquitectos, responsables políticos y representantes de la industria.
- · Organizar cursos específicos para diseñadores e instaladores para una evaluación adecuada de la posible aplicación de tecnologías directas, indirectas o ambas para satisfacer total o parcialmente la demanda de refrigeración, teniendo en cuenta todas las condiciones locales pertinentes.
- · Establecer sistemas de incentivos y directrices para promover el uso de tecnologías de refrigeración evaporativa en las plantas de aire acondicionado, la ganadería, el almacenamiento de alimentos perecederos y en los procesos de preenfriamiento, donde la refrigeración evaporativa casi siempre contribuye de forma útil al ahorro de energía.
