Un enfriador evaporativo (también conocido como 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 compresión de vapor o absorción . El enfriamiento evaporativo explota 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 utilizando 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 enfriamiento por evaporación 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 por evaporación puede reducir el consumo de energía y el equipo total para el acondicionamiento como una alternativa al enfriamiento basado en compresores. En climas no considerados áridos, el enfriamiento por evaporación indirecto aún puede aprovechar el proceso de enfriamiento por evaporación sin aumentar la humedad. Las estrategias de enfriamiento por evaporación pasiva pueden ofrecer los mismos beneficios que los sistemas de enfriamiento por evaporación mecánicos sin la complejidad de los equipos y los conductos.
Una forma anterior de refrigeración por evaporación, el captador de viento , se utilizó por primera vez en el antiguo Egipto y Persia hace miles de años en forma de pozos de viento en el techo. Captaban el viento, lo pasaban sobre agua subterránea en un qanat y descargaban el aire frío en el edificio. Los iraníes modernos han adoptado ampliamente los enfriadores evaporativos eléctricos ( coolere âbi ). [1]
El enfriador evaporativo fue objeto de numerosas patentes estadounidenses en el siglo XX; muchas de ellas, a partir de 1906, [2] sugirieron o asumieron el uso de almohadillas de excelsior (lana de madera) como elementos para poner un gran volumen de agua en contacto con el aire en movimiento para permitir que se produzca 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 de excelsior y un ventilador centrífugo para aspirar aire a través de las almohadillas y hacia la casa. [3] 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. [4] En los Estados Unidos, el uso del término enfriador de pantano puede deberse al olor a algas producido por las primeras unidades. [5]
Los dispositivos de enfriamiento por evaporación montados externamente (refrigeradores para automóviles) se utilizaron en algunos automóviles para enfriar el aire interior (a menudo como accesorios de posventa [6]) , hasta que el moderno aire acondicionado por compresión de vapor se volvió ampliamente disponible.
Las técnicas de refrigeración evaporativa pasiva en edificios han sido una característica de la arquitectura del desierto durante siglos, pero su aceptación, estudio, innovación y aplicación comercial en Occidente son relativamente recientes. En 1974, William H. Goettl observó cómo funciona la tecnología de refrigeración evaporativa en climas áridos, especuló que una unidad combinada podría ser más eficaz e inventó el "Sistema Astro Air Piggyback de alta eficiencia", una combinación de refrigeración y aire acondicionado de refrigeración evaporativa. En 1986, los investigadores de la Universidad de Arizona construyeron una torre de refrigeración evaporativa pasiva, y los datos de rendimiento de esta instalación experimental en Tucson, Arizona, se convirtieron en la base de las directrices de diseño de torres de refrigeración evaporativa. [7]
Los enfriadores evaporativos reducen la temperatura del aire utilizando el principio de enfriamiento por evaporación, a diferencia de los sistemas de aire acondicionado típicos que utilizan refrigeración por compresión de vapor o refrigeración por absorción . El enfriamiento por evaporación 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 que el aire permanece a un valor de entalpía constante . Esta conversión de calor sensible a calor latente se conoce como un proceso isentálpico porque ocurre a un valor de entalpía constante. Por lo tanto, el enfriamiento por evaporación causa una caída en la temperatura del aire proporcional a la caída de calor sensible y un aumento en la humedad proporcional a la ganancia de calor latente. El enfriamiento por evaporación se puede visualizar utilizando un gráfico psicrométrico encontrando la condición inicial del aire y moviéndose a lo largo de una línea de entalpía constante hacia un estado de mayor humedad. [8]
Un ejemplo sencillo de enfriamiento evaporativo natural es la transpiración o sudor secretado por el cuerpo, cuya evaporación enfría el cuerpo. La cantidad de transferencia de calor depende de la velocidad de evaporación, sin embargo, por cada kilogramo de agua vaporizada se transfieren 2.257 kJ de energía (aproximadamente 890 BTU por libra de agua pura, a 95 °F (35 °C)). La velocidad 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 se encuentra dentro de un sistema sellado y luego se comprime para evaporarse nuevamente, utilizando energía para hacerlo. El agua de un enfriador evaporativo simple se evapora en el ambiente y no se recupera. En una unidad de enfriamiento de espacios interiores, el agua evaporada se introduce en el espacio junto con el aire ahora enfriado; en una torre evaporativa, el agua evaporada se elimina en 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 líquido a vapor.
Se ha observado que el enfriamiento por sublimación opera a escala planetaria en el planetoide Plutón , donde se lo ha denominado efecto antiinvernadero .
Otra aplicación de un cambio de fase para enfriar es la lata de bebida "auto-refrigerante". 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 por evaporación funciona con el cambio de fase de líquido a vapor y el calor latente de vaporización , pero la lata auto-refrigerante utiliza 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 , captadores de viento y mashrabiyas . Un recipiente de barro poroso enfriaría el agua por evaporación a través de sus paredes; frescos de alrededor del 2500 a. C. muestran esclavos abanicando jarras de agua para enfriar las habitaciones [ cita requerida ] . Alternativamente, un recipiente lleno de leche o mantequilla podría colocarse en otro recipiente lleno de agua, todo cubierto con un paño húmedo que repose sobre el agua, para mantener la leche o la mantequilla lo más frescas posible (ver zeer , botijo y Coolgardie safe ). [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 evaporativo directo e indirecto para ampliar el rango de confort en verano. Esto 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 el otro. Las estrategias de enfriamiento evaporativo que implican la humidificación del aire deben implementarse en condiciones secas donde el aumento del contenido de humedad se mantiene por debajo de las recomendaciones para la comodidad de los ocupantes y la calidad del aire interior. Las torres de enfriamiento pasivo 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 por evaporación es más eficaz cuando la humedad relativa es baja, lo que limita su popularidad a los 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 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. Las tres consideraciones climáticas más importantes son la temperatura de bulbo seco , la temperatura de bulbo húmedo y la depresión de bulbo húmedo durante un día de verano típico. Es importante determinar si la depresión de bulbo húmedo puede proporcionar suficiente enfriamiento durante el día de verano. Restando la depresión de bulbo húmedo de la temperatura de bulbo seco exterior, se puede estimar la temperatura aproximada del aire que sale del enfriador evaporativo. Es importante considerar que la capacidad de la temperatura de bulbo seco exterior para alcanzar la temperatura de bulbo húmedo depende de la eficiencia de saturación. Una recomendación general para aplicar el enfriamiento por evaporación directa 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 evaporativo directo en el gráfico psicrométrico es de 20 °C (68 °F). A pesar de la temperatura más baja, el enfriamiento evaporativo es adecuado para climas similares al de Salt Lake City.
El enfriamiento por evaporación es especialmente adecuado para climas donde el aire es cálido y la humedad es baja. En los Estados Unidos, los estados occidentales y montañosos son buenos lugares, con enfriadores evaporativos predominantes en ciudades como Albuquerque , Denver , El Paso , Fresno , Salt Lake City y Tucson . El aire acondicionado por evaporación 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 por evaporación puede ser mucho menor que el del aire acondicionado frigorífico, a menudo en un 80% aproximadamente. Sin embargo, el enfriamiento por evaporación y el aire acondicionado por compresión de vapor a veces se utilizan en combinación para obtener resultados de enfriamiento óptimos. Algunos enfriadores por evaporación también pueden servir como humidificadores en la temporada de calefacción. En regiones que son mayoritariamente áridas, los 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 la refrigeración por evaporación, además de su uso generalizado en climas secos. Por ejemplo, las plantas industriales, las cocinas comerciales, las lavanderías , las tintorerías , los invernaderos , la refrigeración localizada (muelles de carga, almacenes, fábricas, sitios de construcción, eventos deportivos, talleres, garajes y perreras) y las granjas de confinamiento (granjas avícolas, porcinas y lecheras) suelen emplear la refrigeración por evaporación. En climas muy húmedos, la refrigeración por evaporación puede tener pocos beneficios en términos de confort térmico más allá del aumento de la ventilación y el movimiento del aire que proporciona.
Los árboles transpiran grandes cantidades de agua a través de poros en 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 de enfriamiento por evaporación simples, como las cámaras de enfriamiento por evaporación (ECC) y los enfriadores de ollas de barro, o refrigeradores de olla dentro de olla , son formas simples y económicas de mantener las verduras frescas sin el uso de electricidad. Varias regiones cálidas y secas en todo el mundo podrían beneficiarse potencialmente del enfriamiento por evaporación, incluido el norte de África, la región del Sahel de África, el Cuerno de África, el sur de África, Oriente Medio, 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 menor pérdida poscosecha, menos tiempo dedicado a viajar al mercado, ahorro monetario y una mayor disponibilidad de verduras para el consumo. [11] [12]
El enfriamiento por evaporación se utiliza 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 por evaporación del helio ordinario forma un recipiente de 1 K , que puede enfriarse al menos a 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 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 para la temperatura alcanzable con un líquido determinado.
El enfriamiento por evaporación 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 por evaporación forzada 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 de 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) Apollo, el módulo lunar y el sistema de soporte vital portátil . El CSM Apollo y el transbordador espacial también tenían radiadores, y el transbordador podía evaporar amoniaco además de agua. La nave espacial Apollo utilizó sublimadores , dispositivos compactos y en gran parte pasivos que vierten el calor residual en vapor de agua (vapor) que se ventila al espacio. [ cita requerida ] Cuando el agua líquida se expone al vacío, hierve vigorosamente, llevándose suficiente calor para congelar el resto en hielo que cubre el sublimador y regula automáticamente el flujo de agua de alimentación dependiendo de la carga térmica. El agua gastada a menudo está disponible en exceso de las celdas 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 entre todas las sustancias comunes. Debido a esto, los enfriadores evaporativos utilizan solo una fracción de la energía de los sistemas de aire acondicionado por compresión de vapor o absorción. Excepto en climas muy secos, el enfriador de una sola etapa (directo) puede aumentar la humedad relativa (HR) a un nivel que incomode a los ocupantes. Los enfriadores evaporativos indirectos y de dos etapas mantienen la HR más baja.
El enfriamiento evaporativo directo (circuito abierto) se utiliza para reducir la temperatura y aumentar la humedad del aire mediante el uso del calor latente de evaporación, convirtiendo el agua líquida en vapor de agua. En este proceso, la energía del aire no cambia. El aire seco y cálido se transforma en aire húmedo y frío. El calor del aire exterior se utiliza para evaporar el agua. La humedad relativa aumenta entre el 70 y el 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 enfriador evaporativo directo mecánico utiliza un ventilador para hacer pasar el aire a través de una membrana o panel humedecido, que proporciona una gran superficie para la evaporación del agua en el aire. El agua se rocía en la parte superior del panel para que pueda gotear hacia la membrana y mantenerla saturada continuamente. El exceso de agua que gotea desde la parte inferior de la membrana se recoge en una bandeja y se recircula hacia la parte superior. Los enfriadores evaporativos directos de una 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 obstrucciones durante la vida útil de la membrana. Según este contenido mineral y la tasa de evaporación, se requieren limpieza y mantenimiento regulares para garantizar un rendimiento óptimo. Por lo general, el aire de suministro del enfriador evaporativo de una etapa deberá evacuarse directamente (flujo de un solo paso) como con el enfriamiento evaporativo directo. Se han ideado 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 vidrio, reduciendo así la energía solar absorbida a través del vidrio. [13] En comparación con la energía necesaria para lograr la carga de enfriamiento equivalente con un compresor, los enfriadores evaporativos de una sola etapa consumen menos energía. [7]
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 diseños más arquitectónicos como la torre de enfriamiento evaporativo de corriente descendente, 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 humedecida o un rociador. 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 ingrese 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 al usar una estrategia de enfriamiento por evaporación directa pasiva depende del clima y la carga térmica. En 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 lograr un consumo neto cero. Por ejemplo, una tienda minorista de 371 m2 ( 4000 ft2 ) en Tucson, Arizona, con una ganancia de calor sensible de 29,3 kJ/h (100 000 Btu/h) se puede enfriar completamente con dos torres de enfriamiento pasivas que proporcionen 11 890 m3 / h (7000 cfm) cada una. [15]
En el centro de visitantes del Parque Nacional Zion, que utiliza dos torres de refrigeración pasivas, la intensidad energética de refrigeración fue de 14,5 MJ/m2 ( 1,28 kBtu/ft2 ) , lo que supone un 77 % menos que un edificio típico del oeste de los Estados Unidos, que utiliza 62,5 MJ/m2 ( 5,5 kBtu/ft2 ) . [16] 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 convencional. [17]
El enfriamiento evaporativo indirecto (circuito cerrado) es un proceso de enfriamiento que utiliza enfriamiento evaporativo directo además de un 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 células solares, que son más eficientes si se mantienen frías. Esto se hace para evitar el exceso de humedad en espacios cerrados, lo que no es apropiado para sistemas residenciales.
El fabricante de enfriadores indirectos utiliza el ciclo Maisotsenko (M-Cycle), llamado así por su inventor y profesor Dr. Valeriy Maisotsenko, que emplea un intercambiador de calor iterativo (de varios pasos) hecho de una membrana delgada reciclable que puede reducir la temperatura del aire del producto por debajo de la 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 M-Cycle 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 EE. UU. y no recomendó su uso en la mitad oriental mucho más húmeda de EE. UU. La evaluación descubrió 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 la mayor eficiencia se puede utilizar para reducir la carga en la red sin necesidad de 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]
En la actualidad, se está utilizando un sistema basado en M-Cycle construido por Coolerado para enfriar el Centro de Datos del Centro Nacional de Datos de Nieve y Hielo (NSIDC) de la NASA. La instalación se enfría por 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 fresco del exterior, lo que le permite utilizar automáticamente aire ambiente exterior frío cuando las condiciones lo permiten. Esto evita tener que poner en funcionamiento 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 que se pierda la 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. Se puede utilizar como enfriamiento complementario durante épocas de calor extremo sin suponer una carga adicional significativa para la infraestructura eléctrica. Si una ubicación tiene un exceso de suministro de agua o 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 suministro eléctrico, las unidades M-Cycle pueden ser los únicos sistemas de enfriamiento adecuados 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 se pueden utilizar para aumentar la eficiencia de los sistemas convencionales existentes.
El ciclo M no se limita a los sistemas de refrigeración y se puede aplicar a diversas tecnologías, desde motores Stirling hasta generadores de agua atmosférica . Para aplicaciones de refrigeración, se puede utilizar tanto en configuraciones de flujo cruzado como de contraflujo. Se descubrió que el contraflujo obtenía temperaturas más bajas, más adecuadas para la refrigeración doméstica, pero se descubrió 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 de elevación ni otros equipos necesarios para las torres de refrigeración. Un sistema de refrigeración de 1,5 toneladas/4,4 kW requiere solo 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 distribuir 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 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 mayor que un sistema de refrigeración convencional, incluso si el agua debe purificarse primero mediante desalinización. En zonas donde no hay agua disponible en 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 más nuevo, pero aún no comercializado, "cold-SNAP" del Instituto Wyss de Harvard, una cerámica impresa en 3D conduce el calor pero está recubierta a medias con un material hidrófobo que actúa como barrera contra la humedad. [23] Si bien no se agrega humedad al aire entrante, la humedad relativa (HR) aumenta un poco según 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, lo que aumenta la eficacia 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 preocupaciones sobre la calidad del aire interior y el confort térmico humano.
Las estrategias de enfriamiento evaporativo indirecto pasivo son poco comunes porque esta estrategia implica 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 en este elemento. Estas estrategias son poco comunes debido al alto uso de agua, que también presenta el riesgo de intrusión de agua y de comprometer la estructura del edificio.
En la primera etapa de un enfriador de dos etapas, el aire caliente se pre-enfría indirectamente sin agregar humedad (pasando por el interior de un intercambiador de calor que se enfría por evaporación en el exterior). En la etapa directa, el aire pre-enfriado pasa a través de un panel empapado en agua y absorbe humedad a medida que se enfría. Dado que el suministro de aire se pre-enfría 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 HR de entre el 50 y el 70%, dependiendo del clima, en comparación con un sistema tradicional que produce alrededor del 70-80% de humedad relativa en el aire acondicionado.
En otro diseño híbrido , se ha combinado el enfriamiento directo o indirecto con el aire acondicionado por compresión de vapor o absorción para aumentar la eficiencia general y/o reducir la temperatura por debajo del límite de bulbo húmedo.
El enfriamiento por evaporación se puede combinar con el enfriamiento radiativo pasivo diurno y el aislamiento térmico para mejorar la potencia de enfriamiento sin consumo de energía , aunque con una "recarga" de agua ocasional según la zona climática de la instalación. El sistema, desarrollado por Lu et al. "consta de un reflector solar, una capa evaporativa rica en agua y emisora de IR, y una capa aislante permeable al vapor, transparente a los IR y que refleja la luz solar", con la capa superior que permite "la eliminación del calor a través de la evaporación y la radiación, al tiempo que resiste el calentamiento ambiental". El sistema demostró una potencia de enfriamiento ambiental un 300% mayor que el enfriamiento radiativo pasivo diurno independiente y podría extender la vida útil de los alimentos en un 40% en climas húmedos fríos y un 200% en climas secos sin refrigeración . [24]
El enfriamiento evaporativo convencional sólo 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 del punto de rocío se puede hibridar con la deshumidificación por membrana, 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 evaporativo. Este enfoque puede proporcionar completamente su propia agua para el enfriamiento evaporativo, supera a un sistema de rueda desecante de referencia en todas las condiciones y supera 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, los paneles de enfriamiento por evaporación están hechos de excelsior ( fibra de madera de álamo ) dentro de una red de contención, pero se están utilizando materiales más modernos, como algunos plásticos y papel de melamina , como medios para paneles de enfriamiento. 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, que suelen ser mucho más delgados. [26] Otro material que a veces se usa es el cartón corrugado. [27] [28]
En climas áridos y semiáridos, la escasez de agua hace que el consumo de agua sea una preocupación en el diseño de sistemas de refrigeración. De los medidores de agua instalados, se consumieron 420 938 L (111 200 gal) de agua durante 2002 para las dos torres de refrigeración pasivas del centro de visitantes del Parque Nacional Zion. [29] Sin embargo, los expertos abordan estas preocupaciones señalando que la generación de electricidad suele requerir una gran cantidad de agua y que los enfriadores evaporativos utilizan mucha menos electricidad y, por lo tanto, un consumo de agua comparable en general y un coste total menor en comparación con los enfriadores . [30]
Si se permite 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 los paneles, o si la luz solar calienta los propios paneles, aumentará la evaporación, pero la energía adicional necesaria para lograrlo no provendrá de la energía contenida en el aire ambiente, sino que será suministrada por el sol, y esto dará como resultado no solo temperaturas más altas, sino también mayor humedad, al igual que lo haría el aumento de la temperatura del aire de entrada por cualquier medio y el calentamiento del agua antes de distribuirla sobre el panel por cualquier medio. Además, la luz solar puede degradar algunos medios y otros componentes del enfriador. Por lo tanto, es aconsejable aplicar sombra en todas las circunstancias, aunque el aspecto vertical de los paneles y el aislamiento entre las superficies horizontales exteriores e interiores (que miran hacia arriba) para minimizar la transferencia de calor serán suficientes.
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 tanto en aplicaciones mecánicas como pasivas. Las bombas se pueden utilizar para recircular el agua hacia el panel de medios húmedos o para proporcionar agua a muy alta presión a un sistema de rociado para una torre de enfriamiento pasiva. Las especificaciones de la bomba variarán según las tasas de evaporación y el área del panel de medios. El centro de visitantes del Parque Nacional Zion utiliza una bomba de 250 W (1/3 HP). [31]
Se deben utilizar conductos de extracción 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 impulsar mucho aire a través del medio y hacia el área con aire acondicionado. El sistema de evaporación no puede funcionar sin extraer el suministro continuo de aire del área con aire acondicionado 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. Una disposición bien diseñada puede recolectar y expulsar eficazmente el aire caliente de las áreas deseadas sin la necesidad de un sistema de ventilación por conductos por encima del techo. El flujo de aire continuo es esencial, por lo que las ventanas o rejillas de ventilación de extracción no deben restringir el volumen y el paso de aire que introduce la máquina de enfriamiento por evaporación. También se debe tener en cuenta la dirección del viento exterior, ya que, por ejemplo, un viento fuerte y cálido del sur ralentizará o restringirá el aire extraído de una ventana orientada al sur. Siempre es mejor tener abiertas las ventanas a favor del viento, mientras que las ventanas a favor del viento están cerradas.
Por lo general, los enfriadores evaporativos residenciales e industriales utilizan evaporación directa y pueden describirse como una caja de metal o plástico cerrada con los lados ventilados. El aire se mueve mediante un ventilador centrífugo o soplador (generalmente impulsado por un motor eléctrico con poleas conocidas como "poleas" en la terminología de HVAC , o un ventilador axial de accionamiento directo), y se utiliza una bomba de agua para humedecer los paneles de enfriamiento por evaporación. Las unidades de enfriamiento se pueden montar en el techo (tiro descendente o flujo descendente) o en las paredes exteriores o ventanas (tiro lateral o flujo horizontal) de los edificios. Para enfriar, el ventilador aspira aire ambiente a través de los respiraderos en los lados de la unidad y a través de los paneles húmedos. El calor en el aire evapora el agua de los paneles 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.
Como el aire de refrigeración se origina en el exterior del edificio, deben existir uno o más respiraderos grandes para permitir que el aire se desplace desde el interior hacia el exterior. El aire solo debe pasar una vez a través del sistema, o el efecto de refrigeración 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 que se utilizan para enfriar agua u otros medios de transferencia de calor a una temperatura cercana a la del bulbo húmedo. 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 se encuentran a menudo en edificios grandes o en sitios industriales. Transfieren calor al medio ambiente desde enfriadores, procesos industriales o el ciclo de potencia de Rankine , por ejemplo.
Los sistemas de nebulización funcionan al forzar el paso del agua a través de una bomba y un tubo de alta presión a través de una boquilla de nebulización de latón y acero inoxidable que tiene un orificio de aproximadamente 5 micrómetros , produciendo así una niebla 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 solo segundos. [32] Para los sistemas de patio, es ideal montar la línea de nebulización aproximadamente de 8 a 10 pies (2,4 a 3,0 m) por encima del suelo para una refrigeración óptima. La nebulización se utiliza para aplicaciones como parterres, mascotas, ganado, perreras, control de insectos, control de olores, zoológicos, clínicas veterinarias, enfriamiento de productos agrícolas e invernaderos.
Un ventilador nebulizador es similar a un humidificador . Un ventilador expulsa una fina niebla de agua en el aire. Si el aire no es demasiado húmedo, el agua se evapora y absorbe el calor del aire, lo que permite que el ventilador nebulizador funcione también como enfriador de aire. Un ventilador nebulizador se puede utilizar al aire libre, especialmente en un clima seco. También se puede utilizar en interiores.
Se venden como artículos novedosos pequeños ventiladores portátiles a batería, compuestos por un ventilador eléctrico y una bomba de agua manual, pero su eficacia en el uso cotidiano no está clara. [ cita requerida ]
Para comprender el rendimiento del enfriamiento por evaporación es necesario comprender la psicrometría . El rendimiento del enfriamiento por evaporación es variable debido a los cambios en la temperatura externa y el nivel de humedad. Un enfriador residencial debe poder reducir la temperatura del aire a entre 3 y 4 °C (5 y 7 °F) de la temperatura de bulbo húmedo.
Es fácil predecir el rendimiento del enfriador a partir de la información de los informes meteorológicos 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 un gráfico psicrométrico o un programa informático 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.
En el caso del 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 entra. 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%. La mayoría de los sistemas eficientes pueden reducir la temperatura del aire seco al 95% de la temperatura del bulbo húmedo, mientras que los sistemas menos eficientes solo alcanzan el 50%. [33] La eficiencia de evaporación disminuye muy poco con el tiempo.
Los paneles de Aspen típicos que se utilizan en los enfriadores evaporativos residenciales ofrecen una eficiencia de alrededor del 85 %, mientras que los medios evaporativos de tipo CELdek [ se necesita más explicación ] ofrecen eficiencias de >90 %, según la velocidad del aire. Los medios CELdek se utilizan con mayor frecuencia en grandes instalaciones comerciales e industriales.
A modo de ejemplo, en Las Vegas , con un día de diseño de verano típico de 42 °C (108 °F) de temperatura 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 una eficiencia del 85 % sería:
Sin embargo, se puede utilizar cualquiera de dos métodos para estimar el rendimiento:
Algunos ejemplos aclaran esta relación:
( 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 utilizan ampliamente y son más efectivos en regiones áridas y desérticas como el suroeste de Estados Unidos , el norte de México y Rajastán .
La misma ecuación indica por qué los enfriadores evaporativos tienen un uso limitado en entornos muy húmedos: por ejemplo, un día caluroso de agosto en Tokio puede tener una temperatura de 30 °C (86 °F) con una humedad relativa del 85% 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 puede enfriarse solo hasta 28,2 °C (82,8 °F), lo que lo hace bastante poco práctico.
Comparación entre el enfriamiento por evaporación y 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
Peligros para la salud
enfriador evaporativo jaula de ardilla suroeste popular.
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