Un enfriador evaporativo (también conocido como aire acondicionado evaporativo , enfriador de pantano , caja de pantano , enfriador de desierto y enfriador de aire húmedo ) es un dispositivo que enfría el aire mediante la evaporación del agua. El enfriamiento evaporativo se diferencia de otros sistemas de aire acondicionado , que utilizan ciclos de refrigeración por compresión de vapor o absorción . El enfriamiento evaporativo aprovecha el hecho de que el agua absorberá una cantidad relativamente grande de calor para poder evaporarse (es decir, tiene una gran entalpía de vaporización ). La temperatura del aire seco puede reducirse significativamente mediante 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 por evaporación del aire tiene el beneficio adicional de acondicionar el aire con más humedad para la comodidad de los ocupantes del edificio.
El potencial de enfriamiento para el enfriamiento evaporativo depende de la depresión del bulbo húmedo, la diferencia entre la temperatura del bulbo seco y la temperatura del bulbo húmedo (ver humedad relativa ). En climas áridos , el enfriamiento evaporativo puede reducir el consumo de energía y el equipo total de acondicionamiento como 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 evaporativo pasivo pueden ofrecer los mismos beneficios que los sistemas de enfriamiento evaporativo mecánico sin la complejidad de equipos y conductos.
Una forma anterior de enfriamiento por evaporación, el captador de viento , se utilizó por primera vez en el antiguo Egipto y Persia hace miles de años en forma de conductos de viento en el techo. Atraparon el viento, lo hicieron pasar sobre agua subterránea en un qanat y descargaron el aire enfriado dentro del edificio. Los iraníes modernos han adoptado ampliamente los refrigeradores evaporativos motorizados ( cooler âbi ). [1]
El enfriador evaporativo fue objeto de numerosas patentes estadounidenses en el siglo XX; muchos de ellos, a partir de 1906, [2] 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 se produjera 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 agua sobre las almohadillas excelsior y un ventilador centrífugo para aspirar aire a través de las almohadillas hacia la casa. [3] Este diseño y este material siguen siendo dominantes en los enfriadores evaporativos del suroeste de Estados Unidos , donde también se utilizan para aumentar la humedad. [4] En los Estados Unidos, el uso del término enfriador de pantano puede deberse al olor de las algas producido por las primeras unidades. [5]
En algunos automóviles se utilizaban dispositivos de enfriamiento por evaporación montados externamente (enfriadores de automóviles) para enfriar el aire interior, a menudo como accesorios del mercado de accesorios [6] , hasta que el moderno aire acondicionado 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 en Occidente son relativamente recientes. En 1974, William H. Goettl notó cómo funciona la tecnología de enfriamiento por evaporación 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 por evaporación. En 1986, los investigadores W. Cunningham y T. Thompson de la Universidad de Arizona construyeron una torre de enfriamiento evaporativo pasivo, 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 evaporativo desarrolladas por Baruch Givoni. [7]
Los enfriadores evaporativos reducen la temperatura del aire utilizando el principio de enfriamiento evaporativo, a diferencia de los sistemas de aire acondicionado típicos que utilizan refrigeración por compresión de vapor o refrigeración por absorción . El enfriamiento evaporativo es la conversión de agua líquida en vapor utilizando la energía térmica del aire, lo que da como resultado 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 el aire permanece en un valor de entalpía constante . Esta conversión de calor sensible a calor latente se conoce como proceso isentálpico porque ocurre a 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 utilizando un gráfico psicrométrico al encontrar la condición inicial del aire y moverse a lo largo de una línea de entalpía constante hacia un estado de mayor humedad. [8]
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 eso 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, usando energía para hacerlo. El agua de un simple enfriador evaporativo se evapora al medio ambiente y no se recupera. En una unidad de refrigeración de espacios interiores, 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.
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 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 el autoenfriamiento puede utilizar un cambio de sólido a líquido y el calor latente de fusión para lograr el mismo resultado.
Antes de la llegada de la refrigeración moderna, el enfriamiento por evaporación se utilizó durante milenios, por ejemplo en qanats , atrapavientos y mashrabiyas . Una vasija de barro poroso enfriaría el agua por evaporación a través de sus paredes; Los frescos de aproximadamente 2500 a. C. muestran a esclavos abanicando tinajas de agua para enfriar las habitaciones [ cita requerida ] . Alternativamente, se podría colocar un recipiente lleno de leche o mantequilla en otro recipiente lleno de agua, todo cubierto con un paño húmedo reposando en el agua, para mantener la leche o la mantequilla lo más fresca posible (ver zeer , botijo y Coolgardie seguros ) . [9]
El enfriamiento evaporativo es una forma común de enfriar edificios para lograr confort térmico , ya que es relativamente barato y requiere menos energía que otras formas de enfriamiento.
La figura que muestra los datos meteorológicos de Salt Lake City representa el clima típico de verano (de junio a septiembre). Las líneas de colores ilustran el potencial de las estrategias de enfriamiento por evaporación directa e indirecta para ampliar el rango de confort en verano. Se explica principalmente por la combinación de una mayor velocidad del aire, por un lado, y una elevada humedad interior cuando la región permite la estrategia de enfriamiento por evaporación directa, por otro lado. Las estrategias de enfriamiento por evaporación que implican la humidificación del aire deben implementarse en condiciones secas donde el aumento del contenido de humedad se mantenga 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 los sistemas HVAC tradicionales ofrecen 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 a climas secos. El enfriamiento por evaporación aumenta significativamente el nivel de humedad interna, lo que los habitantes del desierto pueden apreciar ya que el aire húmedo rehidrata la piel y los senos nasales secos. 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. Las tres consideraciones climáticas más importantes son la temperatura de bulbo seco , la temperatura de bulbo húmedo y la depresión del bulbo húmedo durante un día típico de verano. Es importante determinar si la depresión del bulbo húmedo puede proporcionar suficiente enfriamiento durante los días de verano. Al restar 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). [7] Sin embargo, en el ejemplo de Salt Lake City, el límite superior para el enfriamiento por evaporación directa en el gráfico psicrométrico 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 occidentales y montañosos son buenos lugares, con refrigeradores evaporativos prevalecientes en ciudades como Albuquerque , Denver , El Paso , Fresno , Salt Lake City y Tucson . El aire acondicionado evaporativo también es popular y adecuado para 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 frigorífico, a menudo en aproximadamente un 80%. Sin embargo, el enfriamiento por evaporación y el aire acondicionado por compresión de vapor a veces se usan en combinación para producir resultados de enfriamiento óptimos. Algunos enfriadores evaporativos también pueden servir como humidificadores en la temporada de calefacción. En regiones mayormente áridas, períodos cortos de alta humedad pueden impedir que el enfriamiento por evaporación sea una estrategia de enfriamiento eficaz. 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 existen 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 , refrigeración puntual (muelles de carga, almacenes, fábricas, sitios de construcción, eventos deportivos, talleres, garajes y perreras) y granjas de confinamiento (ranchos avícolas, porcinos y lecheros). ) a menudo emplean enfriamiento por evaporación. En climas muy húmedos, el enfriamiento por evaporación puede tener pocos beneficios para el confort térmico más allá del aumento de la ventilación y el movimiento de aire que proporciona.
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. [10] Los dispositivos simples de enfriamiento por evaporación, como las cámaras de enfriamiento por evaporación (ECC, por sus siglas en inglés) y los refrigeradores de olla de barro, o refrigeradores de olla en olla , son formas simples y económicas de mantener las verduras frescas sin el uso de electricidad. Varias regiones cálidas y secas de todo el mundo podrían beneficiarse potencialmente del enfriamiento por evaporación, entre ellas 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 poscosecha, menos tiempo dedicado a viajar al mercado, ahorros monetarios y una mayor disponibilidad de vegetales para el consumo. [11] [12]
El enfriamiento evaporativo se usa comúnmente en aplicaciones criogénicas . El vapor que se encuentra 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 por evaporación del helio ordinario forma un recipiente de 1 K , que puede enfriarse hasta al menos 1,2 K. El enfriamiento por evaporación del helio-3 puede proporcionar temperaturas inferiores a 300 mK. Estas técnicas se pueden utilizar para fabricar crioenfriadores o como componentes de criostatos de temperatura más baja , como los 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 determinado.
El enfriamiento evaporativo es también el último paso de enfriamiento para alcanzar las temperaturas ultrabajas requeridas para la condensación de Bose-Einstein (BEC). En este caso, se utiliza el llamado enfriamiento evaporativo forzado para eliminar selectivamente átomos de alta energía ("calientes") de una nube de átomos hasta que la nube restante se enfríe por debajo de la temperatura de transición BEC. Para una nube de 1 millón de átomos alcalinos, esta temperatura es de aproximadamente 1 μK.
Aunque las naves espaciales robóticas utilizan radiación térmica casi exclusivamente, muchas naves espaciales tripuladas tienen misiones cortas que permiten el enfriamiento por evaporación de ciclo abierto. Los ejemplos incluyen el transbordador espacial , el módulo de comando y servicio (CSM) del Apolo, 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 Apolo utilizó sublimadores , dispositivos compactos y en gran medida pasivos que vierten el calor residual en vapor de agua (vapor) que se ventila al espacio. [ cita necesaria ] Cuando el agua líquida se expone al vacío, hierve vigorosamente, eliminando suficiente calor para congelar el resto en hielo que cubre el sublimador y regula automáticamente el flujo de agua de alimentación según la carga de calor. El agua gastada suele estar disponible en exceso procedente de las pilas de combustible utilizadas por muchas naves espaciales tripuladas para producir electricidad.
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 utilizan sólo una fracción de la energía de los sistemas de aire acondicionado por compresión o absorción de vapor. Excepto en climas muy secos, el enfriador de una sola etapa (directo) puede aumentar la humedad relativa (RH) a un nivel que incomode a los ocupantes. Los enfriadores evaporativos indirectos y de dos etapas mantienen la humedad relativa más baja.
El enfriamiento evaporativo directo (circuito abierto) se utiliza para bajar la temperatura y aumentar la humedad del aire mediante el uso de calor latente de evaporación, cambiando el agua líquida en vapor de agua. En este proceso, la energía del aire no cambia. El aire cálido y seco se transforma en aire frío y húmedo. El calor del aire exterior se utiliza para evaporar el agua. La humedad relativa aumenta del 70 al 90%, lo que reduce el efecto refrescante de la transpiración humana. El aire húmedo tiene que ser liberado continuamente al exterior o de lo contrario el aire se satura y se detiene la evaporación.
Una unidad mecánica de enfriamiento por evaporación directa utiliza un ventilador para aspirar aire a través de una membrana o almohadilla humedecida, 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 pueda gotear dentro de la membrana y mantenerla saturada continuamente. Cualquier exceso de agua que gotee desde el fondo de la membrana se recoge en una bandeja 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 membrana, bomba de agua y ventilador centrífugo. El contenido mineral del suministro de agua municipal provocará incrustaciones en la membrana, lo que provocará obstrucciones durante la vida útil de la membrana. Dependiendo de este contenido mineral y de la tasa de evaporación, se requiere limpieza y mantenimiento regulares para garantizar un rendimiento óptimo. Generalmente, el aire suministrado desde el enfriador evaporativo de una sola etapa deberá expulsarse directamente (flujo de un solo paso) como ocurre con el enfriamiento evaporativo directo. Se han concebido algunas soluciones de diseño para utilizar 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. [13] En comparación con la energía necesaria para lograr la carga de refrigeración equivalente con un compresor, los enfriadores evaporativos de una sola etapa consumen menos energía. [7]
El enfriamiento por evaporación 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 diseños más arquitectónicos, como la torre de enfriamiento de corriente descendente evaporativa, también llamada "torre de enfriamiento pasivo". El diseño de la torre de enfriamiento pasiva permite que el aire exterior fluya a través de la parte superior de una torre construida 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 humedecida o un nebulizador. 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 que el aire más frío entre 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. [14] El ahorro de energía mediante el uso de una estrategia de enfriamiento por 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 (4000 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 11 890 m 3 /h ( 7000 cfm) cada uno. [15]
Para el centro de visitantes del Parque Nacional Zion, que utiliza dos torres de enfriamiento pasivas, la intensidad de la energía de enfriamiento fue de 14,5 MJ/m 2 (1,28 kBtu/ft 2 ;), que fue un 77% menos que un edificio típico en el oeste de los Estados Unidos que utiliza 62,5 MJ/m 2 (5,5 kBtu/pie 2 ). [16] Un estudio de los resultados de rendimiento de campo en Kuwait reveló que los requisitos de energía para un enfriador evaporativo son aproximadamente un 75% menos que los requisitos de energía para una unidad de aire acondicionado convencional. [17]
El enfriamiento por evaporación indirecto (circuito cerrado) es un proceso de enfriamiento que utiliza enfriamiento por evaporación directo además de algún intercambiador de calor para transferir la energía fría al aire de suministro. El aire húmedo enfriado por el proceso de enfriamiento por evaporación directa 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 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.
El fabricante de enfriadores indirectos utiliza el ciclo Maisotsenko (ciclo M), que lleva el nombre del inventor y profesor Dr. Valeriy Maisotsenko, y emplea un intercambiador de calor iterativo (de varios pasos) hecho de una delgada membrana reciclable que puede reducir la temperatura del aire del producto por debajo del temperatura de bulbo húmedo y puede acercarse al punto de rocío . [18] Las pruebas realizadas por el Departamento de Energía de EE. UU. descubrieron que un ciclo M híbrido combinado con un sistema de refrigeración por compresión estándar mejoraba significativamente la eficiencia entre un 150 y un 400 %, pero solo era capaz de hacerlo en la mitad occidental seca de los EE. UU., y No recomendó su uso en la mitad oriental de los EE. UU., mucho más húmeda. La evaluación encontró que el consumo de agua del sistema de 2 a 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 se puede utilizar una mayor eficiencia 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. [19]
Actualmente se está utilizando un sistema basado en M-Cycle construido por Coolerado para enfriar el centro de datos del Centro Nacional de Datos sobre Hielo y Nieve (NSIDC) de la NASA. La instalación se enfría con aire por debajo de los 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 ambiente exterior fresco cuando las condiciones lo permiten. Esto evita hacer funcionar el sistema de refrigeración cuando no es necesario. Está alimentado por un conjunto de paneles solares que también sirve como energía secundaria en caso de una pérdida de energía principal. [20]
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. Puede utilizarse como refrigeración complementaria en épocas de calor extremo sin suponer una carga adicional significativa para la infraestructura eléctrica. Si una ubicación tiene exceso de suministro de agua o exceso de capacidad de desalinización, se puede utilizar para reducir la demanda eléctrica excesiva utilizando 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 complementarios 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 refrigeración y se puede aplicar a diversas tecnologías, desde motores Stirling hasta generadores de agua atmosféricos . Para aplicaciones de refrigeración, se puede utilizar tanto en configuraciones de flujo cruzado como de contraflujo. Se descubrió que el contraflujo obtiene temperaturas más bajas, más adecuadas para la refrigeración del hogar, pero se descubrió que el flujo cruzado tiene 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 de elevación ni otros equipos necesarios para las torres de refrigeración. Un sistema de refrigeración de 1,5 toneladas/4,4 kW requiere sólo 200 vatios para el funcionamiento del ventilador, lo que da un COP de 26,4 y una clasificación EER de 90. Esto no tiene en cuenta la energía necesaria para purificar o suministrar el agua, y es estrictamente la energía necesaria 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 necesaria para purificar el agua misma. 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 mayor que el de un sistema de refrigeración convencional, incluso si primero hay que purificar el agua mediante desalinización. En zonas donde no hay agua disponible de ninguna forma, se puede utilizar con un desecante para recuperar agua utilizando fuentes de calor disponibles, como la energía solar térmica . [21] [22]
En el diseño "cold-SNAP" más nuevo pero aún por comercializar del Instituto Wyss de Harvard, una cerámica impresa en 3D conduce el calor pero está medio recubierta con un material hidrofóbico que sirve como barrera contra la humedad. [23] Si bien no se agrega humedad al aire entrante, la humedad relativa (RH) aumenta un poco según la fórmula Temperatura-RH. Aun así, el aire relativamente seco resultante del enfriamiento evaporativo indirecto permite que la transpiración de los habitantes se evapore más fácilmente, aumentando la eficacia relativa de esta técnica. El enfriamiento indirecto es una estrategia eficaz para climas cálidos y húmedos que no pueden permitirse el lujo de aumentar el contenido de humedad del aire suministrado debido a preocupaciones sobre la calidad del aire interior y el confort térmico humano.
Las estrategias de enfriamiento evaporativo indirecto pasivo son raras porque esta estrategia involucra un elemento arquitectónico que actúa como intercambiador de calor (por ejemplo, un techo). Este elemento se puede rociar con agua y enfriar mediante la evaporación del agua sobre este elemento. Estas estrategias son poco comunes debido al alto uso de agua, lo que también introduce el riesgo de intrusión de agua y compromete la estructura del edificio.
En la primera etapa de un enfriador de dos etapas, el aire caliente se preenfría indirectamente sin agregar humedad (pasando al interior 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 en agua y recoge humedad a medida que se enfría. Dado que el suministro de aire se preenfría 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 de entre el 50 y el 70 %, según el clima, en comparación con un sistema tradicional que produce entre un 70 y un 80 % de humedad relativa en el aire acondicionado.
En otro diseño híbrido , el enfriamiento directo o indirecto se ha combinado con aire acondicionado por compresión o absorción de vapor para aumentar la eficiencia general y/o reducir la temperatura por debajo del límite de bulbo húmedo.
La refrigeración evaporativa se puede combinar con la refrigeración radiativa diurna pasiva y el aislamiento térmico para mejorar la potencia frigorífica con un consumo energético nulo , aunque con una "recarga" puntual de agua dependiendo de la zona climática de la instalación. El sistema, desarrollado por Lu et al. "consiste en un reflector solar, una capa evaporativa rica en agua y emisora de infrarrojos, y una capa aislante permeable al vapor, transparente a los infrarrojos y reflectante del sol", y la capa superior permite "la eliminación del calor a través de la evaporación y la radiación mientras resistir el calentamiento ambiental." El sistema demostró una potencia de enfriamiento ambiental un 300% mayor que el enfriamiento radiativo diurno pasivo independiente y podría extender la vida útil de los alimentos en un 40% en climas fríos y húmedos y un 200% en climas secos sin refrigeración . [24]
El enfriamiento evaporativo convencional solo funciona con aire seco, por ejemplo, cuando la relación de humedad es inferior a ~0,02 kg de agua /kg de aire . [25] También requieren importantes aportes de agua. Para eliminar estas limitaciones, el enfriamiento evaporativo por punto de rocío se puede hibridar con la deshumidificación por membranas, utilizando membranas que dejan pasar el vapor de agua pero bloquean el aire. [25] El aire que pasa a través de estas membranas se puede concentrar con un compresor, por lo que se puede condensar a temperaturas más cálidas. La primera configuración con este enfoque reutilizó el agua de deshumidificación para proporcionar un mayor enfriamiento por evaporación. Este enfoque puede proporcionar completamente su propia agua para el enfriamiento por evaporación, supera a un sistema de rueda desecante básico en todas las condiciones y supera a la compresión de vapor en condiciones secas. También puede permitir el enfriamiento a mayor humedad sin el uso de refrigerantes, muchos de los cuales tienen un potencial sustancial de gases de efecto invernadero. [25]
Tradicionalmente, las almohadillas para enfriadores evaporativos consisten en excelsior ( fibra de madera de álamo ) dentro de una red de contención, pero se están empezando a utilizar materiales más modernos, como algunos plásticos y papel de melamina , como soportes para almohadillas para enfriadores. Los medios rígidos modernos, comúnmente de 8" o 12" de espesor, agregan más humedad y, por lo tanto, enfrían el aire más que los medios de álamo típicamente mucho más delgados. [26] Otro material que a veces se utiliza es el cartón ondulado. [27] [28]
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 gal) de agua durante 2002 para las dos torres de enfriamiento pasivas en el centro de visitantes del Parque Nacional Zion. [29] Sin embargo, estas 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 . [30]
Permitir la exposición solar directa a cualquier superficie que pueda transferir el calor adicional a cualquier parte del flujo de aire a través de la unidad aumentará la temperatura del aire. Si el calor se transfiere al aire antes de fluir a través de las almohadillas, o si la luz del sol calienta las propias almohadillas, la evaporación aumentará, pero la energía adicional necesaria para lograrlo no provendrá de la energía contenida en el aire ambiente, sino que será suministrado por el sol, y esto dará como resultado no solo temperaturas más altas, sino también una mayor humedad, del mismo modo que lo haría elevar la temperatura del aire de entrada por cualquier medio y calentar el agua antes de distribuirla sobre la plataforma por cualquier medio. Además, la luz solar puede degradar algunos medios y otros componentes del refrigerador. Por lo tanto, la sombra es aconsejable en todas las circunstancias, aunque será suficiente el aspecto vertical de las almohadillas y el aislamiento entre las superficies horizontales exterior e interior (que miran hacia arriba) para minimizar la transferencia de calor.
Además 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 tanto mecánicas como pasivas. Las bombas se pueden usar para recircular el agua a la plataforma de medio húmedo o para proporcionar agua a muy alta presión a un sistema nebulizador para una torre de enfriamiento pasiva. Las especificaciones de la bomba variarán según las tasas de evaporación y el área de la almohadilla de medio. El centro de visitantes del Parque Nacional Zion utiliza una bomba de 250 W (1/3 HP). [31]
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 hacia el área con aire acondicionado. El sistema evaporativo no puede funcionar sin agotar el suministro continuo de aire del área climatizada hacia el exterior. Al optimizar la ubicación de la entrada de aire enfriado, junto con la disposición 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 eficazmente el aire caliente de las áreas deseadas sin la necesidad de un sistema de ventilación por conductos sobre el techo. El flujo de aire continuo es esencial, por lo que las ventanas o respiraderos de escape no deben restringir el volumen y el paso del aire que introduce la máquina de enfriamiento evaporativo. También hay que tener en cuenta la dirección del viento exterior, ya que, por ejemplo, un viento fuerte y cálido del sur ralentizará o restringirá la salida de aire de una ventana orientada al sur. Siempre es mejor tener las ventanas a favor del viento abiertas, mientras que las ventanas a favor del viento están cerradas.
Normalmente, los enfriadores evaporativos residenciales e industriales utilizan evaporación directa y pueden describirse como una caja cerrada de metal o plástico con lados ventilados. El aire se mueve mediante un ventilador centrífugo o un soplador (normalmente impulsado por un motor eléctrico con poleas conocidas como "poleas" en la terminología HVAC , o un ventilador axial de accionamiento directo), y se utiliza una bomba de agua para humedecer las almohadillas de enfriamiento por evaporación. Las unidades de refrigeración se pueden montar en el techo (tiro descendente o flujo descendente) o en paredes o ventanas exteriores (tiro lateral o flujo horizontal) de los edificios. Para enfriar, el ventilador aspira aire ambiente a través de las rejillas de ventilación ubicadas a los lados de la unidad y a través de las almohadillas húmedas. El calor del 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 ingresa 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 del interior al exterior. Sólo 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 aproximadamente 15 cambios de aire por hora (ACH) en espacios atendidos por enfriadores evaporativos, una tasa de intercambio de aire relativamente alta.
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 ambiental. 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 refrigeración suelen encontrarse en grandes edificios o en zonas industriales. Transfieren calor al medio ambiente desde enfriadoras, procesos industriales o el ciclo de energía Rankine , por ejemplo.
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 nebulización 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 35 °F (20 °C) en sólo segundos. [32] Para sistemas de patio, es ideal montar la línea de niebla aproximadamente de 8 a 10 pies (2,4 a 3,0 m) sobre el suelo para un enfriamiento óptimo. La nebulización se utiliza para aplicaciones tales como macizos de flores, mascotas, ganado, perreras, control de insectos, control de olores, zoológicos, clínicas veterinarias, enfriamiento de productos e invernaderos.
Un ventilador nebulizador es similar a un humidificador . Un ventilador lanza una fina niebla de agua al aire. Si el aire no es demasiado húmedo, el agua se evapora, absorbiendo el calor del aire, lo que permite que el ventilador nebulizador también funcione como enfriador de aire. Se puede utilizar un ventilador nebulizador al aire libre, especialmente en un clima seco. También se puede utilizar en interiores.
Como artículos novedosos se venden pequeños ventiladores nebulizadores portátiles que funcionan con baterías, que consisten en un ventilador eléctrico y una bomba rociadora de agua manual. Su eficacia en el uso diario no está clara. [ cita necesaria ]
Comprender el rendimiento del enfriamiento evaporativo requiere una comprensión de la psicrometría . El rendimiento del enfriamiento evaporativo es variable debido a los cambios en la temperatura externa y el nivel de humedad. Un refrigerador residencial debería poder disminuir la temperatura del aire a entre 3 y 4 °C (5 a 7 °F) de la temperatura del bulbo húmedo.
Es sencillo predecir el rendimiento más frío a partir de la información del informe meteorológico estándar. Debido a que los informes meteorológicos generalmente contienen el punto de rocío y la humedad relativa , pero no la temperatura de bulbo húmedo, se debe utilizar una carta psicrométrica o un programa de computadora simple para calcular la temperatura de 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 está cerca de la temperatura de bulbo húmedo del aire entrante. La eficiencia de saturación directa se puede determinar de la siguiente manera: [33]
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 del bulbo húmedo, los sistemas menos eficientes solo alcanzan el 50%. [33] La eficiencia de la evaporación disminuye muy poco con el tiempo.
Las almohadillas de álamo típicas utilizadas en enfriadores evaporativos residenciales ofrecen alrededor del 85 % de eficiencia, mientras que el tipo de medio evaporativo CELdek [ se necesita más explicación ] ofrece eficiencias de >90 % dependiendo de la velocidad del aire. Los medios CELdek se utilizan 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 temperatura de bulbo seco y 19 °C (66 °F) de temperatura de bulbo húmedo o aproximadamente 8% de humedad relativa, la temperatura del aire de salida de un El enfriador residencial con 85% de eficiencia sería:
Sin embargo, se puede utilizar cualquiera de dos métodos para estimar el rendimiento:
Algunos ejemplos aclaran esta relación:
( Ejemplos de refrigeración extraídos de la publicación "Homewise" de la Universidad de Idaho del 25 de junio de 2000 ).
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 tienen un uso limitado en ambientes muy húmedos: por ejemplo, un día caluroso de agosto en Tokio puede tener una temperatura de 30 °C (86 °F) con un 85 % de humedad relativa y una presión de 1005 hPa. 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). Según la fórmula anterior, con una eficiencia del 85 % el aire se puede enfriar sólo hasta 28,2 °C (82,8 °F), lo que lo hace bastante poco práctico.
Comparación del enfriamiento evaporativo con el aire acondicionado basado en refrigeración :
Menos costoso de instalar y operar
Facilidad de instalación y mantenimiento.
Aire de ventilación
Actuación
Comodidad
Uso del agua
Frecuencia de mantenimiento
Riesgos para la salud
Cool Enfriador Evaporativo Jaula De Ardilla Popular.
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