Enfriador evaporativo - Evaporative cooler

Una qullah egipcia, ambientada en borradores para enfriar los interiores. La cerámica porosa y la tela gruesa maximizan el área de evaporación.

Un enfriador evaporativo (también acondicionador de aire evaporativo , enfriador de pantano , caja de pantano , enfriador de desierto y enfriador de aire húmedo ) es un dispositivo que enfría el aire a través de la evaporación del agua. El enfriamiento evaporativo se diferencia de otros sistemas de aire acondicionado , que utilizan ciclos de refrigeración por absorción o compresión de vapor . El enfriamiento evaporativo utiliza el hecho de que el agua absorberá una cantidad relativamente grande de calor para evaporarse (es decir, tiene una gran entalpía de vaporización ). La temperatura del aire seco se puede reducir significativamente a través de la transición de fase del agua líquida a vapor de agua (evaporación). Esto puede enfriar el aire usando mucha menos energía que la refrigeración. En climas extremadamente secos, el enfriamiento evaporativo del aire tiene el beneficio adicional de acondicionar el aire con más humedad para la comodidad de los ocupantes del edificio.

El potencial de refrigeración para el enfriamiento por evaporación depende de la depresión de bulbo húmedo, la diferencia entre la temperatura de bulbo seco y de bulbo húmedo de temperatura (ver humedad relativa ). En climas áridos , el enfriamiento evaporativo puede reducir el consumo de energía y el equipo total de acondicionamiento como una alternativa al enfriamiento basado en compresores. En climas no considerados áridos, el enfriamiento evaporativo indirecto aún puede aprovechar el proceso de enfriamiento evaporativo sin aumentar la humedad. Las estrategias de enfriamiento por evaporación pasiva pueden ofrecer los mismos beneficios de los sistemas de enfriamiento por evaporación mecánicos sin la complejidad de los equipos y los conductos.

Historia

Diagrama esquemático de un antiguo cazador de viento iraní y qanat , utilizado para el enfriamiento por evaporación de edificios

Una forma anterior de enfriamiento por evaporación, el atrapavientos , se utilizó por primera vez en el antiguo Egipto y Persia hace miles de años en forma de ejes de viento en el techo. Atraparon el viento, lo pasaron sobre agua subterránea en un qanat y descargaron el aire frío en el edificio. Los iraníes modernos han adoptado ampliamente los enfriadores evaporativos eléctricos ( coolere âbi ).

Un enfriador de aire tradicional en Mirzapur , Uttar Pradesh , India

El enfriador evaporativo fue objeto de numerosas patentes estadounidenses en el siglo XX; muchos de estos, a partir de 1906, sugirieron o asumieron el uso de almohadillas excelsior (lana de madera) como elementos para poner un gran volumen de agua en contacto con el aire en movimiento para permitir que ocurra la evaporación. Un diseño típico, como se muestra en una patente de 1945, incluye un depósito de agua (generalmente con nivel controlado por una válvula de flotador ), una bomba para hacer circular el agua sobre las almohadillas excelsior y un ventilador centrífugo para extraer aire a través de las almohadillas y entrar en la casa. Este diseño y este material siguen siendo dominantes en los enfriadores evaporativos en el suroeste de Estados Unidos , donde también se utilizan para aumentar la humedad. En los Estados Unidos, el uso del término enfriador de pantano puede deberse al olor a algas producido por las primeras unidades.

Los dispositivos de enfriamiento por evaporación montados externamente ( enfriadores de automóviles ) se usaron en algunos automóviles para enfriar el aire interior, a menudo como accesorios del mercado de accesorios, hasta que el aire acondicionado moderno por compresión de vapor estuvo ampliamente disponible.

Las técnicas de enfriamiento por evaporación pasiva en edificios han sido una característica de la arquitectura del desierto durante siglos, pero la aceptación, el estudio, la innovación y la aplicación comercial de Occidente son relativamente recientes. En 1974, William H. Goettl notó cómo funciona la tecnología de enfriamiento evaporativo en climas áridos, especuló que una unidad combinada podría ser más efectiva e inventó el "Sistema Astro Air Piggyback de alta eficiencia", una combinación de aire acondicionado de refrigeración y enfriamiento evaporativo. En 1986, los investigadores de la Universidad de Arizona W. Cunningham y T. Thompson construyeron una torre de enfriamiento por evaporación pasiva, y los datos de rendimiento de esta instalación experimental en Tucson, Arizona se convirtieron en la base de las pautas de diseño de torres de enfriamiento por evaporación desarrolladas por Baruch Givoni.

Principios fisicos

Los enfriadores evaporativos reducen la temperatura del aire utilizando el principio de enfriamiento evaporativo, a diferencia de los sistemas de aire acondicionado típicos que usan refrigeración por compresión de vapor o refrigeración por absorción . El enfriamiento evaporativo es la conversión de agua líquida en vapor utilizando la energía térmica en el aire, lo que resulta en una temperatura del aire más baja. La energía necesaria para evaporar el agua se toma del aire en forma de calor sensible , que afecta la temperatura del aire, y se convierte en calor latente , la energía presente en el componente de vapor de agua del aire, mientras que el aire permanece en un valor de entalpía constante . Esta conversión de calor sensible en calor latente se conoce como proceso isentálpico porque ocurre con un valor de entalpía constante. Por tanto, el enfriamiento evaporativo provoca una caída de la temperatura del aire proporcional a la caída de calor sensible y un aumento de la humedad proporcional a la ganancia de calor latente. El enfriamiento evaporativo se puede visualizar usando una tabla psicrométrica encontrando la condición inicial del aire y moviéndose a lo largo de una línea de entalpía constante hacia un estado de mayor humedad.

Un ejemplo simple de enfriamiento por evaporación natural es la transpiración , o sudor, secretado por el cuerpo, cuya evaporación enfría el cuerpo. La cantidad de transferencia de calor depende de la tasa de evaporación; sin embargo, por cada kilogramo de agua vaporizada se transfieren 2257 kJ de energía (aproximadamente 890 BTU por libra de agua pura, a 95 ° F (35 ° C)). La tasa de evaporación depende de la temperatura y la humedad del aire, por lo que el sudor se acumula más en los días húmedos, ya que no se evapora lo suficientemente rápido.

La refrigeración por compresión de vapor utiliza enfriamiento por evaporación, pero el vapor evaporado está dentro de un sistema sellado y luego se comprime listo para evaporarse nuevamente, utilizando energía para hacerlo. El agua de un enfriador evaporativo simple se evapora al medio ambiente y no se recupera. En una unidad de refrigeración de espacio interior, el agua evaporada se introduce en el espacio junto con el aire ahora enfriado; en una torre de evaporación, el agua evaporada se elimina por el escape del flujo de aire.

Otros tipos de refrigeración por cambio de fase

Un proceso estrechamente relacionado, el enfriamiento por sublimación , se diferencia del enfriamiento por evaporación en que se produce una transición de fase de sólido a vapor , en lugar de líquido a vapor.

Se ha observado que el enfriamiento por sublimación opera a escala planetaria en el planetoide Plutón , donde se le ha llamado efecto anti-invernadero .

Otra aplicación de un cambio de fase al enfriamiento es la lata de bebida "autorefrigerante". Un compartimento separado dentro de la lata contiene un desecante y un líquido. Justo antes de beber, se tira de una pestaña para que el desecante entre en contacto con el líquido y se disuelva. Al hacerlo, absorbe una cantidad de energía térmica llamada calor latente de fusión . El enfriamiento evaporativo funciona con el cambio de fase de líquido a vapor y el calor latente de vaporización , pero la lata de autoenfriamiento utiliza un cambio de sólido a líquido y el calor latente de fusión para lograr el mismo resultado.

Aplicaciones

Antes del advenimiento de la refrigeración moderna, la refrigeración por evaporación se utilizó durante milenios, por ejemplo, en qanats , atrapavientos y mashrabiyas . Una vasija de barro porosa enfría el agua por evaporación a través de sus paredes; Los frescos de alrededor del 2500 a. C. muestran a los esclavos abanicando tinajas de agua para enfriar las habitaciones. Alternativamente, se puede colocar un recipiente lleno de leche o mantequilla en otro recipiente lleno de agua, todo cubierto con un paño húmedo que descansa en el agua, para mantener la leche o la mantequilla lo más fresca posible (ver zeer , botijo y Coolgardie seguro ) .

Casa de rancho de California con caja de enfriador evaporativo en la cresta del techo a la derecha

El enfriamiento evaporativo es una forma común de enfriar edificios para el confort térmico, ya que es relativamente barato y requiere menos energía que otras formas de enfriamiento.

Ejemplo de gráfico psicrométrico de Salt Lake City

La figura que muestra los datos meteorológicos de Salt Lake City representa el clima típico de verano (junio a septiembre). Las líneas de colores ilustran el potencial de las estrategias de enfriamiento evaporativo directo e indirecto para expandir el rango de confort en el horario de verano. Se explica principalmente por la combinación de una mayor velocidad del aire por un lado y una humedad interior elevada cuando la región permite la estrategia de enfriamiento evaporativo directo por otro lado. Las estrategias de enfriamiento evaporativo que involucran la humidificación del aire deben implementarse en condiciones secas donde el aumento en el contenido de humedad permanece por debajo de las recomendaciones para la comodidad de los ocupantes y la calidad del aire interior. Las torres de enfriamiento pasivas carecen del control que ofrecen los sistemas HVAC tradicionales a los ocupantes. Sin embargo, el movimiento de aire adicional proporcionado en el espacio puede mejorar la comodidad de los ocupantes.

El enfriamiento evaporativo es más efectivo cuando la humedad relativa es baja, lo que limita su popularidad en climas secos. El enfriamiento evaporativo aumenta significativamente el nivel de humedad interna, lo que los habitantes del desierto pueden apreciar ya que el aire húmedo rehidrata la piel seca y los senos nasales. Por lo tanto, evaluar los datos climáticos típicos es un procedimiento esencial para determinar el potencial de las estrategias de enfriamiento por evaporación para un edificio. Los tres más importantes son las consideraciones climáticas de temperatura de bulbo seco , temperatura de bulbo húmedo , y la depresión de bulbo húmedo durante un día típico de verano. Es importante determinar si la depresión del bulbo húmedo puede proporcionar suficiente enfriamiento durante el día de verano. Restando la depresión del bulbo húmedo de la temperatura exterior del bulbo seco, se puede estimar la temperatura aproximada del aire que sale del enfriador evaporativo. Es importante considerar que la capacidad de la temperatura exterior de bulbo seco para alcanzar la temperatura de bulbo húmedo depende de la eficiencia de saturación. Una recomendación general para aplicar enfriamiento evaporativo directo es implementarlo en lugares donde la temperatura de bulbo húmedo del aire exterior no exceda los 22 ° C (72 ° F). Sin embargo, en el ejemplo de Salt Lake City, el límite superior para el enfriamiento evaporativo directo en la tabla psicrométrica es 20 ° C (68 ° F). A pesar de la temperatura más baja, el enfriamiento por evaporación es adecuado para climas similares a los de Salt Lake City.

El enfriamiento evaporativo es especialmente adecuado para climas donde el aire es caliente y la humedad es baja. En los Estados Unidos, los estados del oeste y de las montañas son buenos lugares, con enfriadores evaporativos predominantes en ciudades como Albuquerque , Denver , El Paso , Fresno , Salt Lake City y Tucson . El aire acondicionado evaporativo también es popular y se adapta bien a la parte sur (templada) de Australia . En climas secos y áridos, el costo de instalación y operación de un enfriador evaporativo puede ser mucho menor que el del aire acondicionado refrigerante, a menudo en un 80% aproximadamente. Sin embargo, el enfriamiento por evaporación y el aire acondicionado por compresión de vapor se utilizan a veces en combinación para producir resultados de enfriamiento óptimos. Algunos enfriadores evaporativos también pueden servir como humidificadores en la temporada de calefacción. En regiones que son en su mayoría áridas, períodos cortos de alta humedad pueden evitar que el enfriamiento por evaporación sea una estrategia de enfriamiento efectiva. Un ejemplo de este evento es la temporada de monzones en Nuevo México y el centro y sur de Arizona en julio y agosto.

En lugares con humedad moderada, hay muchos usos rentables para el enfriamiento por evaporación, además de su uso generalizado en climas secos. Por ejemplo, plantas industriales, cocinas comerciales, lavanderías , tintorerías , invernaderos , enfriamiento local (muelles de carga, almacenes, fábricas, sitios de construcción, eventos deportivos, talleres, garajes y perreras) y cría de confinamiento (granjas avícolas, porcicultura y lechería). ) a menudo emplean enfriamiento por evaporación. En climas muy húmedos, el enfriamiento por evaporación puede tener pocos beneficios de confort térmico más allá del aumento de la ventilación y el movimiento del aire que proporciona.

Otros ejemplos

Los árboles transpiran grandes cantidades de agua a través de los poros de sus hojas llamados estomas y, a través de este proceso de enfriamiento por evaporación, los bosques interactúan con el clima a escala local y global. Los dispositivos de enfriamiento por evaporación simples, como las cámaras de enfriamiento por evaporación (ECC) y los enfriadores de olla de barro, o los refrigeradores de olla en olla , son formas simples y económicas de mantener frescas las verduras sin el uso de electricidad. Varias regiones cálidas y secas de todo el mundo podrían beneficiarse potencialmente del enfriamiento por evaporación, incluido el norte de África, la región africana del Sahel, el Cuerno de África, el sur de África, el Medio Oriente, las regiones áridas del sur de Asia y Australia. Los beneficios de las cámaras de enfriamiento por evaporación para muchas comunidades rurales en estas regiones incluyen una reducción de las pérdidas posteriores a la cosecha, menos tiempo para viajar al mercado, ahorros monetarios y una mayor disponibilidad de verduras para el consumo.

El enfriamiento evaporativo se usa comúnmente en aplicaciones criogénicas . El vapor sobre un depósito de líquido criogénico se bombea y el líquido se evapora continuamente mientras la presión de vapor del líquido sea ​​significativa. El enfriamiento evaporativo del helio ordinario forma un recipiente de 1 K , que puede enfriarse hasta al menos 1,2 K. El enfriamiento evaporativo del helio 3 puede proporcionar temperaturas por debajo de 300 mK. Estas técnicas se pueden utilizar para fabricar refrigeradores criogénicos o como componentes de criostatos de temperatura más baja , como refrigeradores de dilución . A medida que la temperatura disminuye, la presión de vapor del líquido también cae y el enfriamiento se vuelve menos efectivo. Esto establece un límite inferior a la temperatura alcanzable con un líquido dado.

El enfriamiento evaporativo es también el último paso de enfriamiento para alcanzar las temperaturas ultrabajas requeridas para la condensación de Bose-Einstein (BEC). Aquí, el llamado enfriamiento evaporativo forzado se usa para eliminar selectivamente átomos de alta energía ("calientes") de una nube de átomos hasta que la nube restante se enfría por debajo de la temperatura de transición BEC. Para una nube de 1 millón de átomos alcalinos, esta temperatura es de aproximadamente 1μK.

Aunque las naves espaciales robóticas utilizan radiación térmica casi exclusivamente, muchas naves espaciales tripuladas tienen misiones cortas que permiten el enfriamiento evaporativo de ciclo abierto. Los ejemplos incluyen el transbordador espacial , el módulo de servicio y comando de Apolo (CSM), el módulo lunar y el sistema de soporte vital portátil . El Apollo CSM y el Transbordador Espacial también tenían radiadores, y el Transbordador podía evaporar tanto amoníaco como agua. La nave espacial Apollo usó sublimadores , dispositivos compactos y en gran parte pasivos que vierten el calor residual en vapor de agua (vapor) que se ventila al espacio. Cuando el agua líquida se expone al vacío, hierve vigorosamente, llevando suficiente calor para congelar el resto en hielo que cubre el sublimador y regula automáticamente el flujo de agua de alimentación en función de la carga de calor. El agua gastada a menudo está disponible como excedente de las pilas de combustible que utilizan muchas naves espaciales tripuladas para producir electricidad.

Diseños

Ilustración de enfriador evaporativo

La mayoría de los diseños aprovechan el hecho de que el agua tiene uno de los valores de entalpía de vaporización (calor latente de vaporización) más altos conocidos de cualquier sustancia común. Debido a esto, los enfriadores evaporativos usan solo una fracción de la energía de los sistemas de aire acondicionado de absorción o compresión de vapor. Desafortunadamente, excepto en climas muy secos, el enfriador de una sola etapa (directo) puede aumentar la humedad relativa (RH) a un nivel que incomoda a los ocupantes. Los enfriadores evaporativos indirectos y de dos etapas mantienen la HR más baja.

Refrigeración evaporativa directa

Refrigeración evaporativa directa

El enfriamiento evaporativo directo (circuito abierto) se usa para bajar la temperatura y aumentar la humedad del aire usando el calor latente de evaporación, cambiando el agua líquida a vapor de agua. En este proceso, la energía en el aire no cambia. El aire caliente y seco se cambia por aire fresco y húmedo. El calor del aire exterior se utiliza para evaporar el agua. La HR aumenta del 70 al 90%, lo que reduce el efecto refrescante de la transpiración humana. El aire húmedo debe liberarse continuamente al exterior o, de lo contrario, el aire se satura y se detiene la evaporación.

Una unidad de enfriamiento por evaporación directa mecánica utiliza un ventilador para extraer aire a través de una membrana humedecida, o almohadilla, que proporciona una gran superficie para la evaporación del agua en el aire. Se rocía agua en la parte superior de la almohadilla para que gotee hacia la membrana y la mantenga continuamente saturada. Cualquier exceso de agua que gotea del fondo de la membrana se recoge en un recipiente y se recircula hacia la parte superior. Los enfriadores evaporativos directos de una sola etapa suelen ser de tamaño pequeño, ya que solo constan de la membrana, la bomba de agua y el ventilador centrífugo. El contenido mineral del suministro de agua municipal provocará incrustaciones en la membrana, lo que provocará una obstrucción durante la vida útil de la membrana. Dependiendo de este contenido mineral y la tasa de evaporación, se requiere una limpieza y un mantenimiento regulares para asegurar un rendimiento óptimo. Por lo general, el aire de suministro del enfriador evaporativo de una sola etapa deberá extraerse directamente (flujo de un solo paso) debido a la alta humedad del aire de suministro. Se han concebido algunas soluciones de diseño para aprovechar la energía del aire, como dirigir el aire de escape a través de dos hojas de ventanas de doble acristalamiento, reduciendo así la energía solar absorbida a través del acristalamiento. En comparación con la energía requerida para lograr la carga de enfriamiento equivalente con un compresor, los enfriadores evaporativos de una sola etapa consumen menos energía.

El enfriamiento evaporativo directo pasivo puede ocurrir en cualquier lugar donde el agua enfriada por evaporación pueda enfriar un espacio sin la ayuda de un ventilador. Esto se puede lograr mediante el uso de fuentes o más diseños arquitectónicos como la torre de enfriamiento de corriente descendente evaporativa, también llamada "torre de enfriamiento pasivo". El diseño de la torre de enfriamiento pasivo permite que el aire exterior fluya a través de la parte superior de una torre que se construye dentro o al lado del edificio. El aire exterior entra en contacto con el agua dentro de la torre, ya sea a través de una membrana mojada o un atomizador. A medida que el agua se evapora en el aire exterior, el aire se vuelve más frío y menos flotante y crea un flujo descendente en la torre. En la parte inferior de la torre, una salida permite la entrada de aire más frío al interior. Al igual que los enfriadores evaporativos mecánicos, las torres pueden ser una solución atractiva de bajo consumo de energía para climas cálidos y secos, ya que solo requieren una bomba de agua para elevar el agua a la parte superior de la torre. El ahorro de energía al utilizar una estrategia de enfriamiento de evaporación directa pasiva depende del clima y la carga de calor. Para climas áridos con una gran depresión de bulbo húmedo, las torres de enfriamiento pueden proporcionar suficiente enfriamiento durante las condiciones de diseño de verano para ser cero neto. Por ejemplo, una tienda minorista de 371 m 2 (4.000 pies 2 ) en Tucson, Arizona con una ganancia de calor sensible de 29,3 kJ / h (100.000 Btu / h) se puede enfriar completamente mediante dos torres de enfriamiento pasivas que proporcionan 11890 m 3 / h ( 7.000 cfm) cada uno.

Para el centro de visitantes del Parque Nacional Zion, que utiliza dos torres de enfriamiento pasivas, la intensidad de energía de enfriamiento fue 14.5 MJ / m 2 (1.28 kBtu / ft;), que fue 77% menos que un edificio típico en el oeste de los Estados Unidos que usa 62,5 MJ / m 2 (5,5 kBtu / pie 2 ). Un estudio de los resultados del rendimiento de campo en Kuwait reveló que los requisitos de energía para un enfriador evaporativo son aproximadamente un 75% menores que los requisitos de energía para un acondicionador de aire de unidad compacta convencional.

Refrigeración evaporativa indirecta

El proceso de enfriamiento evaporativo indirecto

El enfriamiento evaporativo indirecto (circuito cerrado) es un proceso de enfriamiento que utiliza enfriamiento evaporativo directo además de algún intercambiador de calor para transferir la energía fría al aire de suministro. El aire húmedo enfriado del proceso de enfriamiento evaporativo directo nunca entra en contacto directo con el aire de suministro acondicionado. La corriente de aire húmedo se libera al exterior o se utiliza para enfriar otros dispositivos externos, como las células solares, que son más eficientes si se mantienen frías. Esto se hace para evitar el exceso de humedad en espacios cerrados, lo cual no es apropiado para sistemas residenciales.

Ciclo de Maisotsenko

Un fabricante de enfriadores indirectos utiliza el ciclo Maisotsenko (Ciclo M), que lleva el nombre del inventor y profesor Dr. Valeriy Maisotsenko, emplea un intercambiador de calor iterativo (de varios pasos) hecho de una fina membrana reciclable que puede reducir la temperatura del aire del producto por debajo temperatura de bulbo húmedo y puede acercarse al punto de rocío . Las pruebas realizadas por el Departamento de Energía de EE. UU. Encontraron que un ciclo M híbrido combinado con un sistema de refrigeración por compresión estándar mejoró significativamente la eficiencia entre un 150 y un 400%, pero solo fue capaz de hacerlo en la mitad occidental seca de los EE. UU., Y no recomendó que se utiliza en la mitad oriental mucho más húmeda de los EE. UU. La evaluación encontró que el consumo de agua del sistema de 2-3 galones por tonelada de enfriamiento (12,000 BTU) era aproximadamente igual en eficiencia al consumo de agua de las nuevas plantas de energía de alta eficiencia. Esto significa que la mayor eficiencia se puede utilizar para reducir la carga en la red sin requerir agua adicional y, de hecho, puede reducir el uso de agua si la fuente de energía no tiene un sistema de enfriamiento de alta eficiencia.

Un sistema basado en M-Cycle construido por Coolerado se está utilizando actualmente para enfriar el Centro de Datos del Centro Nacional de Datos de Nieve y Hielo de la NASA (NSIDC). La instalación se enfría por aire a menos de 70 grados Fahrenheit y utiliza el sistema Coolerado por encima de esa temperatura. Esto es posible porque el controlador de aire del sistema utiliza aire exterior fresco, lo que le permite utilizar automáticamente aire exterior frío cuando las condiciones lo permiten. Esto evita el funcionamiento del sistema de refrigeración cuando no es necesario. Está alimentado por una matriz de paneles solares que también sirve como energía secundaria en caso de pérdida de energía principal.

El sistema tiene una eficiencia muy alta pero, al igual que otros sistemas de enfriamiento por evaporación, está limitado por los niveles de humedad ambiental, lo que ha limitado su adopción para uso residencial. Se puede utilizar como refrigeración suplementaria durante épocas de calor extremo sin imponer una carga adicional significativa a la infraestructura eléctrica. Si una ubicación tiene un exceso de suministro de agua o una capacidad de desalinización excesiva, se puede utilizar para reducir la demanda eléctrica excesiva mediante el uso de agua en unidades M-Cycle asequibles. Debido a los altos costos de las unidades de aire acondicionado convencionales y las limitaciones extremas de muchos sistemas de servicios eléctricos, las unidades M-Cycle pueden ser los únicos sistemas de enfriamiento apropiados para áreas empobrecidas durante épocas de temperaturas extremadamente altas y alta demanda eléctrica. En áreas desarrolladas, pueden servir como sistemas de respaldo suplementarios en caso de sobrecarga eléctrica y pueden usarse para aumentar la eficiencia de los sistemas convencionales existentes.

El M-Cycle no se limita a los sistemas de enfriamiento y se puede aplicar a diversas tecnologías, desde motores Stirling hasta generadores de agua atmosférica . Para aplicaciones de refrigeración, se puede utilizar en configuraciones de flujo cruzado y contraflujo. Se encontró que el contraflujo obtenía temperaturas más bajas más adecuadas para la refrigeración del hogar, pero se encontró que el flujo cruzado tenía un coeficiente de rendimiento (COP) más alto y, por lo tanto, es mejor para grandes instalaciones industriales.

A diferencia de las técnicas de refrigeración tradicionales, el COP de los sistemas pequeños sigue siendo alto, ya que no requieren bombas elevadoras u otros equipos necesarios para las torres de refrigeración. Un sistema de enfriamiento de 1.5 ton / 4.4kw requiere solo 200 vatios para el funcionamiento del ventilador, lo que da un COP de 26.4 y una calificación EER de 90. Esto no toma en cuenta la energía requerida para purificar o entregar el agua, y es estrictamente el energía requerida para hacer funcionar el dispositivo una vez que se suministra agua. Aunque la desalinización del agua también presenta un costo, el calor latente de vaporización del agua es casi 100 veces mayor que la energía requerida para purificar el agua en sí. Además, el dispositivo tiene una eficiencia máxima del 55%, por lo que su COP real es mucho menor que este valor calculado. Sin embargo, independientemente de estas pérdidas, el COP efectivo sigue siendo significativamente más alto que el de un sistema de refrigeración convencional, incluso si el agua debe purificarse primero mediante desalinización. En áreas donde el agua no está disponible en ninguna forma, se puede usar con un desecante para recuperar el agua utilizando las fuentes de calor disponibles, como la energía solar térmica .

Diseños teóricos

En el diseño "cold-SNAP" más nuevo pero aún por comercializar del Wyss Institute de Harvard, una cerámica impresa en 3D conduce el calor pero está medio recubierta con un material hidrófobo que sirve como barrera contra la humedad. Si bien no se agrega humedad al aire entrante, la humedad relativa (HR) aumenta un poco de acuerdo con la fórmula de Temperatura-HR. Aún así, el aire relativamente seco resultante del enfriamiento evaporativo indirecto permite que la transpiración de los habitantes se evapore más fácilmente, aumentando la efectividad relativa de esta técnica. El enfriamiento indirecto es una estrategia eficaz para climas cálidos y húmedos que no pueden permitirse aumentar el contenido de humedad del aire de suministro debido a la calidad del aire interior y las preocupaciones sobre el confort térmico humano.

Las estrategias de enfriamiento evaporativo indirecto pasivo son raras porque esta estrategia involucra un elemento arquitectónico que actúa como un intercambiador de calor (por ejemplo, un techo). Este elemento se puede rociar con agua y enfriar mediante la evaporación del agua en este elemento. Estas estrategias son raras debido al alto uso de agua, que también introduce el riesgo de intrusión de agua y compromete la estructura del edificio.

Diseños híbridos

Enfriamiento evaporativo de dos etapas o indirecto-directo

En la primera etapa de un enfriador de dos etapas, el aire caliente se preenfría indirectamente sin agregar humedad (al pasar dentro de un intercambiador de calor que se enfría por evaporación en el exterior). En la etapa directa, el aire preenfriado pasa a través de una almohadilla empapada de agua y recoge la humedad a medida que se enfría. Dado que el suministro de aire se enfría previamente en la primera etapa, se transfiere menos humedad en la etapa directa, para alcanzar las temperaturas de enfriamiento deseadas. El resultado, según los fabricantes, es un aire más frío con una humedad relativa entre el 50 y el 70%, según el clima, en comparación con un sistema tradicional que produce alrededor del 70 al 80% de humedad relativa en el aire acondicionado.

Evaporativo + respaldo convencional

En otro diseño híbrido , el enfriamiento directo o indirecto se ha combinado con aire acondicionado por absorción o compresión de vapor para aumentar la eficiencia general y / o reducir la temperatura por debajo del límite de bulbo húmedo.

Materiales

Tradicionalmente, las almohadillas de enfriamiento evaporativo consisten en excelsior ( fibra de madera de álamo temblón ) dentro de una red de contención, pero los materiales más modernos, como algunos plásticos y papel de melamina , están comenzando a usarse como medios de almohadilla de enfriamiento. Los medios rígidos modernos, comúnmente de 8 "o 12" de grosor, agregan más humedad y, por lo tanto, enfrían el aire más que los medios típicos de álamo temblón mucho más delgados. Otro material que se utiliza en ocasiones es el cartón ondulado.

Consideraciones de diseño

Uso del agua

En climas áridos y semiáridos, la escasez de agua hace que el consumo de agua sea una preocupación en el diseño del sistema de refrigeración. De los medidores de agua instalados, se consumieron 420938 L (111,200 galones) de agua durante 2002 para las dos torres de enfriamiento pasivo en el centro de visitantes del Parque Nacional Zion. Sin embargo, tales preocupaciones son abordadas por expertos que señalan que la generación de electricidad generalmente requiere una gran cantidad de agua, y los enfriadores evaporativos usan mucha menos electricidad y, por lo tanto, agua comparable en general, y cuestan menos en general, en comparación con los enfriadores.

Sombreado

Permitir la exposición solar directa a las almohadillas de medios aumenta la tasa de evaporación. Sin embargo, la luz solar puede degradar algunos medios, además de calentar otros elementos del diseño de enfriamiento por evaporación. Por lo tanto, se recomienda el sombreado en la mayoría de las aplicaciones.

Sistemas mecánicos

Aparte de los ventiladores utilizados en el enfriamiento evaporativo mecánico, las bombas son el único otro equipo mecánico necesario para el proceso de enfriamiento evaporativo en aplicaciones mecánicas y pasivas. Las bombas se pueden utilizar para recircular el agua a la almohadilla de medio húmedo o para proporcionar agua a muy alta presión a un sistema de atomización para una torre de enfriamiento pasivo. Las especificaciones de la bomba variarán según las tasas de evaporación y el área de la almohadilla del medio. El centro de visitantes del Parque Nacional Zion utiliza una bomba de 250 W (1/3 HP).

Cansada

Se deben usar conductos de escape y / o ventanas abiertas en todo momento para permitir que el aire escape continuamente del área con aire acondicionado. De lo contrario, se desarrolla presión y el ventilador o soplador del sistema no puede empujar mucho aire a través del medio y hacia el área con aire acondicionado. El sistema de evaporación no puede funcionar sin agotar el suministro continuo de aire desde el área con aire acondicionado hacia el exterior. Al optimizar la ubicación de la entrada de aire enfriado, junto con el diseño de los pasillos de la casa, las puertas relacionadas y las ventanas de las habitaciones, el sistema se puede utilizar de manera más efectiva para dirigir el aire enfriado a las áreas requeridas. Un diseño bien diseñado puede recoger y expulsar de manera efectiva el aire caliente de las áreas deseadas sin la necesidad de un sistema de ventilación con conductos por encima del techo. El flujo de aire continuo es esencial, por lo que las ventanas de escape o las rejillas de ventilación no deben restringir el volumen y el paso del aire que ingresa la máquina de enfriamiento por evaporación. También se debe tener en cuenta la dirección del viento exterior, ya que, por ejemplo, un viento fuerte del sur caliente ralentizará o restringirá el aire expulsado de una ventana orientada al sur. Siempre es mejor tener las ventanas a favor del viento abiertas, mientras que las ventanas en contra del viento están cerradas.

Diferentes tipos de instalaciones

Instalaciones típicas

Por lo general, los enfriadores evaporativos residenciales e industriales usan evaporación directa y pueden describirse como una caja cerrada de metal o plástico con lados ventilados. El aire es movido por un ventilador centrífugo o soplador (generalmente impulsado por un motor eléctrico con poleas conocidas como "poleas" en la terminología HVAC , o un ventilador axial de accionamiento directo), y se usa una bomba de agua para humedecer las almohadillas de enfriamiento evaporativo. Las unidades de enfriamiento se pueden montar en el techo (tiro descendente o flujo descendente) o paredes exteriores o ventanas (tiro lateral o flujo horizontal) de los edificios. Para enfriar, el ventilador extrae aire ambiental a través de las rejillas de ventilación en los lados de la unidad y a través de las almohadillas húmedas. El calor en el aire evapora el agua de las almohadillas que se vuelven a humedecer constantemente para continuar el proceso de enfriamiento. Luego, el aire húmedo y enfriado se envía al edificio a través de un respiradero en el techo o la pared.

Debido a que el aire de enfriamiento se origina fuera del edificio, deben existir uno o más respiraderos grandes para permitir que el aire se mueva de adentro hacia afuera. Solo se debe permitir que el aire pase una vez a través del sistema, o el efecto de enfriamiento disminuirá. Esto se debe a que el aire alcanza el punto de saturación . A menudo, se producen alrededor de 15 cambios de aire por hora (ACH) en espacios servidos por enfriadores evaporativos, una tasa relativamente alta de intercambio de aire.

Torres de enfriamiento evaporativo (húmedo)

Grandes torres de refrigeración hiperboloide de acero estructural para una central eléctrica en Kharkіv (Ucrania)

Las torres de enfriamiento son estructuras para enfriar agua u otros medios de transferencia de calor a una temperatura de bulbo húmedo cercana a la ambiente. Las torres de enfriamiento húmedo funcionan según el principio de enfriamiento por evaporación, pero están optimizadas para enfriar el agua en lugar del aire. Las torres de enfriamiento a menudo se pueden encontrar en edificios grandes o en sitios industriales. Transfieren calor al medio ambiente desde enfriadores, procesos industriales o el ciclo de energía Rankine , por ejemplo.

Sistemas de nebulización

Sistema de pulverización de niebla con bomba de agua debajo

Los sistemas de nebulización funcionan forzando el agua a través de una bomba de alta presión y un tubo a través de una boquilla de neblina de latón y acero inoxidable que tiene un orificio de aproximadamente 5 micrómetros , produciendo así una neblina microfina. Las gotas de agua que crean la niebla son tan pequeñas que se evaporan instantáneamente. La evaporación instantánea puede reducir la temperatura del aire circundante hasta en 35 ° F (20 ° C) en solo segundos. Para los sistemas de patio, es ideal montar la línea de niebla aproximadamente de 8 a 10 pies (2,4 a 3,0 m) por encima del suelo para un enfriamiento óptimo. La nebulización se utiliza para aplicaciones como parterres de flores, mascotas, ganado, perreras, control de insectos, control de olores, zoológicos, clínicas veterinarias, enfriamiento de productos e invernaderos.

Ventiladores de nebulización

Un ventilador de nebulización es similar a un humidificador . Un ventilador lanza una fina neblina de agua al aire. Si el aire no es demasiado húmedo, el agua se evapora, absorbiendo el calor del aire, permitiendo que el ventilador de nebulización funcione también como un enfriador de aire. Se puede usar un ventilador de nebulización al aire libre, especialmente en un clima seco. También se puede utilizar en interiores.

Se venden como artículos novedosos pequeños ventiladores de nebulización portátiles que funcionan con baterías, que consisten en un ventilador eléctrico y una bomba de rociado de agua manual. Su eficacia en el uso diario no está clara.

Rendimiento

Comprender el rendimiento del enfriamiento evaporativo requiere una comprensión de la psicrometría . El rendimiento del enfriamiento evaporativo es variable debido a cambios en la temperatura externa y el nivel de humedad. Un enfriador residencial debe poder disminuir la temperatura del aire entre 3 y 4 ° C (5 a 7 ° F) de la temperatura de bulbo húmedo.

Es sencillo predecir el rendimiento de una refrigeración a partir de la información estándar de los informes meteorológicos. Debido a que los informes meteorológicos generalmente contienen el punto de rocío y la humedad relativa , pero no la temperatura del bulbo húmedo, se debe utilizar una tabla psicrométrica o un programa de computadora simple para calcular la temperatura del bulbo húmedo. Una vez que se identifican la temperatura de bulbo húmedo y la temperatura de bulbo seco, se puede determinar el rendimiento de enfriamiento o la temperatura del aire de salida del enfriador.

Para el enfriamiento evaporativo directo, la eficiencia de saturación directa mide en qué medida la temperatura del aire que sale del enfriador evaporativo directo se acerca a la temperatura de bulbo húmedo del aire que ingresa. La eficiencia de saturación directa se puede determinar de la siguiente manera:

Donde:
= eficiencia de saturación de enfriamiento evaporativo directo (%)
= temperatura de bulbo seco del aire de entrada (° C)
= temperatura de bulbo seco del aire de salida (° C)
= temperatura de bulbo húmedo del aire entrante (° C)

La eficiencia de los medios evaporativos suele oscilar entre el 80% y el 90%. Los sistemas más eficientes pueden reducir la temperatura del aire seco al 95% de la temperatura de bulbo húmedo, los sistemas menos eficientes solo alcanzan el 50%. La eficiencia de evaporación disminuye muy poco con el tiempo.

Las almohadillas típicas de álamo temblón utilizadas en enfriadores evaporativos residenciales ofrecen una eficiencia de alrededor del 85%, mientras que el tipo de medio evaporativo CELdek ofrece eficiencias de> 90% dependiendo de la velocidad del aire. El medio CELdek se utiliza con mayor frecuencia en grandes instalaciones comerciales e industriales.

Por ejemplo, en Las Vegas , con un día típico de diseño de verano de 42 ° C (108 ° F) de bulbo seco y 19 ° C (66 ° F) de temperatura de bulbo húmedo o aproximadamente un 8% de humedad relativa, la temperatura del aire de salida de un enfriador residencial con 85% de eficiencia sería:

 = 42 ° C - [(42 ° C - 19 ° C) × 85%] = 22,45 ° C o 72,41 ° F

Sin embargo, se puede utilizar cualquiera de los dos métodos para estimar el rendimiento:

  • Use una tabla psicrométrica para calcular la temperatura de bulbo húmedo y luego agregue 5-7 ° F como se describe arriba.
  • Utilice una regla empírica que calcule que la temperatura de bulbo húmedo es aproximadamente igual a la temperatura ambiente, menos un tercio de la diferencia entre la temperatura ambiente y el punto de rocío . Como antes, agregue 5-7 ° F como se describe arriba.

Algunos ejemplos aclaran esta relación:

  • A 32 ° C (90 ° F) y 15% de humedad relativa, el aire puede enfriarse a casi 16 ° C (61 ° F). El punto de rocío para estas condiciones es de 2 ° C (36 ° F).
  • A 32 ° C y 50% de humedad relativa, el aire se puede enfriar a aproximadamente 24 ° C (75 ° F). El punto de rocío para estas condiciones es de 20 ° C (68 ° F).
  • A 40 ° C (104 ° F) y 15% de humedad relativa, el aire puede enfriarse a casi 21 ° C (70 ° F). El punto de rocío para estas condiciones es de 8 ° C (46 ° F).

( Ejemplos de enfriamiento extraídos de la publicación de la Universidad de Idaho del 25 de junio de 2000, " Homewise " ).

Debido a que los enfriadores evaporativos funcionan mejor en condiciones secas, se usan ampliamente y son más efectivos en regiones áridas y desérticas como el suroeste de EE . UU. , El norte de México y Rajasthan .

La misma ecuación indica por qué los enfriadores evaporativos son de uso limitado en ambientes altamente húmedos: por ejemplo, un día caluroso de agosto en Tokio puede ser de 30 ° C (86 ° F) con 85% de humedad relativa, 1,005 hPa de presión. Esto da un punto de rocío de 27,2 ° C (81,0 ° F) y una temperatura de bulbo húmedo de 27,88 ° C (82,18 ° F). De acuerdo con la fórmula anterior, con una eficiencia del 85%, el aire se puede enfriar solo hasta 28,2 ° C (82,8 ° F), lo que lo hace bastante poco práctico.

Comparación con otros tipos de aire acondicionado

Un abanico de nebulización

Comparación del enfriamiento evaporativo con el aire acondicionado basado en refrigeración :

Ventajas

Menos costoso de instalar y operar

  • El costo estimado de la instalación profesional es aproximadamente la mitad o menos que el del aire acondicionado refrigerado central.
  • El costo de operación estimado es 1/8 del del aire acondicionado refrigerado .
  • No hay picos de potencia cuando se enciende debido a la falta de un compresor
  • El consumo de energía se limita al ventilador y la bomba de agua, que tienen un consumo de corriente relativamente bajo en el arranque.
  • El fluido de trabajo es agua. No se utilizan refrigerantes especiales, como amoníaco o CFC , que puedan ser tóxicos, costosos de reemplazar, contribuir al agotamiento del ozono y / o estar sujetos a estrictas regulaciones ambientales y de licencias.
  • Se puede operar con un inversor de energía doméstico durante cortes de energía. Esto es particularmente útil en áreas que experimentan cortes de energía frecuentes .
  • Los enfriadores de aire recientemente lanzados se pueden operar a través de control remoto .

Facilidad de instalación y mantenimiento.

  • El equipo puede ser instalado por usuarios con inclinación mecánica a un costo drásticamente menor que el equipo de refrigeración que requiere habilidades especializadas e instalación profesional.
  • Las únicas dos partes mecánicas en la mayoría de los enfriadores evaporativos básicos son el motor del ventilador y la bomba de agua, los cuales pueden ser reparados o reemplazados a bajo costo y a menudo por un usuario con inclinación mecánica, eliminando costosas llamadas de servicio a los contratistas de HVAC.

Aire de ventilación

  • El flujo volumétrico frecuente y alto de aire que viaja a través del edificio reduce drásticamente la "edad del aire" en el edificio.
  • El enfriamiento evaporativo aumenta la humedad . En climas secos, esto puede mejorar la comodidad y disminuir los problemas de electricidad estática .
  • La almohadilla en sí actúa como un filtro de aire bastante eficaz cuando se mantiene adecuadamente; es capaz de eliminar una variedad de contaminantes en el aire, incluido el ozono urbano causado por la contaminación, independientemente del clima muy seco. Los sistemas de enfriamiento basados ​​en refrigeración pierden esta capacidad cuando no hay suficiente humedad en el aire para mantener el evaporador húmedo mientras proporcionan un goteo frecuente de condensación que lava las impurezas disueltas removidas del aire.

Desventajas

Rendimiento

  • La mayoría de los enfriadores evaporativos no pueden bajar la temperatura del aire tanto como puede hacerlo el aire acondicionado refrigerado.
  • Las condiciones de alto punto de rocío (humedad) disminuyen la capacidad de enfriamiento del enfriador evaporativo.
  • Sin deshumidificación . Los acondicionadores de aire tradicionales eliminan la humedad del aire, excepto en lugares muy secos donde la recirculación puede provocar una acumulación de humedad. El enfriamiento evaporativo agrega humedad y, en climas húmedos, la sequedad puede mejorar el confort térmico a temperaturas más altas.

Comodidad

  • El aire suministrado por el enfriador evaporativo es generalmente de 80 a 90% de humedad relativa y puede causar niveles de humedad interior tan altos como 65%; el aire muy húmedo reduce la tasa de evaporación de la humedad de la piel, la nariz, los pulmones y los ojos.
  • La alta humedad en el aire acelera la corrosión , particularmente en presencia de polvo. Esto puede reducir considerablemente la vida útil de la electrónica y otros equipos.
  • La alta humedad en el aire puede causar condensación de agua. Esto puede ser un problema en algunas situaciones (por ejemplo, equipos eléctricos, computadoras, papel, libros, madera vieja).
  • Los olores y otros contaminantes del exterior pueden entrar en el edificio a menos que se disponga de un filtrado suficiente.

Uso del agua

  • Los enfriadores evaporativos requieren un suministro constante de agua.
  • El agua con alto contenido de minerales (agua dura) dejará depósitos minerales en las almohadillas y en el interior del enfriador. Dependiendo del tipo y concentración de minerales, podrían presentarse posibles riesgos de seguridad durante el reemplazo y la eliminación de desechos de las almohadillas. Los sistemas de purga y recarga (bomba de purga) pueden reducir, pero no eliminar, este problema. La instalación de un filtro de agua en línea (agua potable de refrigerador / tipo máquina de hielo) reducirá drásticamente los depósitos minerales.

Frecuencia de mantenimiento

  • Cualquier componente mecánico que pueda oxidarse o corroerse necesita una limpieza o reemplazo regular debido al ambiente de alta humedad y depósitos minerales potencialmente pesados ​​en áreas con agua dura.
  • Los medios evaporativos deben reemplazarse con regularidad para mantener el rendimiento de enfriamiento. Las almohadillas de lana de madera son económicas pero deben cambiarse cada pocos meses. Los medios rígidos de mayor eficiencia son mucho más costosos pero durarán varios años proporcionalmente a la dureza del agua; en áreas con agua muy dura, los medios rígidos solo pueden durar dos años antes de que la acumulación de incrustaciones minerales degrade de manera inaceptable el rendimiento.
  • En áreas con inviernos fríos, los enfriadores evaporativos deben drenarse y acondicionarse para el invierno para proteger la línea de agua y el enfriador del daño por congelación y luego des-invernada antes de la temporada de enfriamiento.

Riesgos para la salud

  • Un enfriador evaporativo es un lugar común para la reproducción de mosquitos. Numerosas autoridades consideran que una hielera con un mantenimiento inadecuado es una amenaza para la salud pública.
  • El moho y las bacterias pueden dispersarse en el aire interior debido a un mantenimiento inadecuado o sistemas defectuosos, causando el síndrome del edificio enfermo y efectos adversos para las personas que padecen asma y alergias.
  • La lana de madera de las almohadillas para hieleras secas puede incendiarse incluso con pequeñas chispas.

Ver también

Referencias

enlaces externos