El ciclo de Cromer es un ciclo termodinámico que utiliza un desecante para interactuar con el aire con mayor humedad relativa dejando una superficie fría. Cuando un sistema pasa por una serie de estados diferentes y finalmente regresa a su estado inicial, se dice que ha ocurrido un ciclo termodinámico. El desecante absorbe la humedad del aire que sale de la superficie fría, liberando calor y secando el aire, que puede usarse en un proceso que requiere aire seco. Luego, el desecante se seca mediante una corriente de aire a una humedad relativa más baja, donde el desecante cede su humedad por evaporación , aumentando la humedad relativa del aire y enfriándolo. Este aire más frío y húmedo se puede presentar a la misma superficie fría que la anterior para llevarlo por debajo de su punto de rocío y secarlo más, o se puede eliminar del sistema.
El desecante pasa por un proceso reversible mediante el cual en la primera parte del ciclo absorbe o adsorbe humedad del aire dejando una superficie fría, liberando calor, y luego en la segunda parte del ciclo evapora la humedad, absorbiendo calor y devolviendo el desecante a su estado original para completar el ciclo nuevamente. El resultado del ciclo Cromer es que el aire del proceso que sale del ciclo se deshumidifica aún más (proporción latente más alta) de lo que lo haría al salir de la superficie fría sin el ciclo. El concepto del ciclo de Cromer se patentó originalmente a mediados de los años 1980. Esas patentes han expirado y, por lo tanto, el ciclo es gratuito para que cualquiera lo utilice. El ciclo fue publicitado por primera vez en 1997 por Popular Mechanics en su sección Tech Update. [1]
El ciclo Cromer se utiliza principalmente en aplicaciones de aire acondicionado y secado. La parte de superficie fría del ciclo suele ser el resultado de un ciclo de Carnot o de refrigeración invertido . Para que funcione el ciclo Cromer, se debe exponer un desecante a dos corrientes de aire, una con mayor humedad de una superficie fría y otra con menor humedad para secarlo. Esto se logra más fácilmente moviendo el desecante. Se puede utilizar cualquier mecanismo cíclico, como bombear un desecante líquido, aunque una aplicación mecánica sencilla es una rueda giratoria, cargada con desecante, a través de la cual pasan las diferentes corrientes de aire. Esto se muestra en la Figura 1, donde se aplicó una rueda desecante a una configuración de aire acondicionado estándar.
El proceso psicrométrico del aire que pasa a través del sistema con cuatro puntos de estado se muestra en el gráfico psicrométrico de la Figura 2 como 1, 2, 3 y 4. Los puntos de estado del aire también se representan en la Figura 1. En esta aplicación, el El aire que regresa del espacio, típicamente alrededor del 50% de humedad relativa (RH), se presenta a la rueda desecante y seca el desecante. El aire recoge humedad y se enfría en los procesos 1 a 2. El aire húmedo ahora se presenta a la superficie de enfriamiento (serpentín de enfriamiento del aire acondicionado), que lo enfría por debajo de su punto de rocío y seca el aire en los procesos 2 a 3. representa el trabajo realizado por la bobina fría. Mientras tanto, el desecante seco gira desde abajo hacia la corriente de aire superior. El aire saturado que sale del serpentín, normalmente entre 93 y 98 % de humedad relativa, se presenta al desecante en 3, donde el aire se seca aún más en los procesos 3 a 4, donde se presenta al espacio como aire de suministro. El desecante, ahora cargado de humedad, gira hacia el aire de retorno, donde se repite el ciclo.
El enfriamiento y secado típicos mediante el serpentín frío sin el ciclo de Cromer se muestra en el gráfico psicrométrico y también se muestra en la Figura 2. El punto de estado 1 es el aire que regresa del espacio al sistema (aire de retorno). Para un sistema de aire acondicionado típico, este aire en el punto de estado 1 ingresa al serpentín de enfriamiento y sale aproximadamente en el punto de estado 4' después de enfriar y secar. El punto de estado 4' representa la temperatura y el contenido de humedad del aire que sale de la unidad típica, aproximadamente 45 a 50 °F (7 a 10 °C) y 95 a 98 % de humedad relativa.
El gráfico psicrométrico muestra los cambios del ciclo al ciclo estándar de aire acondicionado. En primer lugar, el punto de estado final 4 para el aire de la rueda representa un aumento de la relación latente (eliminación de humedad) hasta aproximadamente el 45 %, en comparación con el 25 % de la bobina típica que se muestra. En segundo lugar, la calidad del aire entregado por el ciclo es mucho más seca, alrededor del 55% de HR (punto 4), en lugar del 98% con el serpentín estándar (punto 4'). En tercer lugar, esto se logra con una temperatura promedio más alta del evaporador. Compare el punto medio de la temperatura del evaporador, líneas 1 a 4', con el punto medio de la temperatura del evaporador del ciclo de Cromer, líneas 2 a 3. Estas líneas representan el trabajo realizado por el serpentín sobre la corriente de aire (su cambio de entalpía ). Esto es importante porque, dada una temperatura constante del condensador y un cambio equivalente en la entalpía, cuanto mayor sea la temperatura del serpentín del evaporador, más eficiente será el ciclo de refrigeración de Carnot y mayor será la eficiencia energética que puede ofrecer un sistema en particular.
Las estrategias comunes de deshumidificación incluyen: recalentamiento (bypass eléctrico o de gas caliente), donde se agrega calor sensible al aire que sale del equipo; calor recuperativo (serpentines circulares o tubos de calor), donde el calor sensible se transfiere del aire de retorno al aire de suministro; o el ciclo de Cromer, donde el calor latente de la sorción y evaporación de la humedad se transfiere del aire de retorno al aire de suministro. Estas diversas estrategias se compararon en un artículo del ASHRAE Journal que encontró que "el ciclo Cromer produce un rendimiento de deshumidificación mejorado similar al que se obtiene con las configuraciones recuperativas". [2]
Para operar en este ciclo, se requiere que el desecante absorba la humedad del aire que sale del serpentín que es más frío y aproximadamente 98 % de humedad relativa y que desorba la humedad al aire que es más cálido y con una humedad relativa más baja. El desecante se regenera por el diferencial de presión de vapor inherente a las diferencias de HR en lugar de por la diferencia de calor o temperatura. Los desecantes que tienen una isoterma de sorción de humedad del tipo que se muestra en la Figura 3 (Tipo III) son comunes, como muchas formulaciones de gel de sílice . Los desecantes tipo III absorben poca humedad por debajo del 70% de humedad relativa, pero muchos absorben más que su propio peso en agua del aire cuando se les presenta una humedad relativa superior al 90%. La isoterma de absorción es muy pronunciada entre 90 y 100% de HR. Los desecantes de Tipo III tienen un gran potencial para el ciclo de la humedad desde el aire que sale del serpentín, alrededor del 98 % de HR, hacia la corriente de aire de retorno, generalmente alrededor del 50 % de HR.
En 2011, Khalifa, Al-Omran y Mohammed informaron sobre un estudio supervisado de una unidad de aire acondicionado de 2 toneladas de capacidad mientras cambiaban una rueda de gel de sílice y una rueda hecha de carbón activado para determinar si reduciría la humedad relativa en un habitación pequeña en Bagdad en comparación con la unidad sin el ciclo de Cromer agregado. Descubrieron que "el ciclo Cromer puede reducir la humedad relativa interior del 80% a aproximadamente el 60% utilizando carbón activo en ruedas de 5 cm de espesor". [3]
Para mantener la calidad del aire interior, puede ser conveniente eliminar el aire de retorno del espacio acondicionado y reemplazarlo con aire fresco del exterior, a veces llamado "aire de reposición". La ubicación óptima para eliminar el aire de retorno de un sistema de ciclo Cromer es justo después del desecante (ubicación 2 en la Figura 1). En este punto, el aire de retorno se ha cargado con humedad del desecante y al eliminarlo se elimina la humedad adicional del espacio. Además, este aire de expulsión se enfría por debajo del aire de retorno mediante la evaporación de la humedad del desecante en él. La ubicación 2 (pero antes del ventilador) también es el lugar ideal para llevar aire exterior al sistema, ya que el serpentín puede reducir su temperatura y humedad antes de ingresar al espacio. Además, si se proporciona intercambio de calor entre el aire expurgado y el aire exterior, el aire entrante se puede enfriar y acercar o alcanzar la saturación antes de que ingrese al serpentín de enfriamiento para los procesos 2 a 3, mejorando su deshumidificación. [4] [5]
Cuando el proceso necesario es más deshumidificación o secado, el ciclo Cromer se puede mejorar utilizando el calor libre disponible en el lado de condensación del ciclo de refrigeración Carnot inverso. Este calor, a veces llamado "derivación de gas caliente", se puede agregar antes de la rueda desecante para mejorar el secado de la rueda en la ubicación 1 de la Figura 1 (pero después del filtro), llamado precalentamiento. También se puede agregar calor de derivación de gas caliente al proceso en la ubicación 4, llamado recalentamiento, que entrega aire de suministro más cálido pero con una HR aún más baja. Se pueden utilizar una o ambas ubicaciones de derivación de gas caliente. Cuando un sistema de aire acondicionado de ciclo Cromer se mejora con derivación de gas caliente, normalmente se lo denomina aire acondicionado de ciclo Cromer "activo". Cuando el ciclo se utiliza como equipo diseñado para deshumidificación o secado, normalmente se denomina deshumidificador de ciclo Cromer o secador de ciclo Cromer.
La revista R&D reconoció el ciclo Cromer en 2006 con un premio R&D 100 en la categoría mecánica/materiales, reconociendo las 100 innovaciones tecnológicas más significativas del año. [6]