El funcionamiento de diversos equipos HVACR depende directamente de su consumo de agua. En la actualidad, el abastecimiento de este líquido representa un problema, por lo que la industria debe buscar alternativas que mantengan la eficiencia operativa de los sistemas, sin que ésta se subordine al uso de agua1
1 Este artículo es resultado de una presentación que obtuvo el premio IIAR Award for Presentation Excellence International 2018
Ricardo García / Fotografías e imágenes: cortesía del autor
La falta de disponibilidad del agua para uso industrial se ve reflejada en el constante aumento de su precio y las regulaciones en torno a su disposición final. Esta problemática ha llevado a diferentes sectores a buscar soluciones para reducir su consumo y dependencia. En el caso de la industria del frío, una de las alternativas más sustentables es el enfriamiento adiabático, ya que ofrece un diseño más eficiente para sistemas centralizados HVAC.
El vital líquido, retrospectiva y tendencias
Una célebre cita de Jacques-Yves Cousteau afirma que, con frecuencia, “olvidamos que el ciclo del agua y el ciclo de la vida son uno mismo”. Esto es una gran verdad, pues a pesar de que nuestro planeta esta conformado en un 70.9 por ciento por agua, el 97.5 por ciento del H2O existente está contenido en los océanos, una situación que limita su uso, dada su alta salinidad. Aunado a esto, las condiciones del 2.5 por ciento de agua dulce disponible son de difícil acceso, por lo que menos del uno por ciento de este líquido está disponible para uso y consumo humano.
El agua en el mundo
El aumento de la población mundial y de las actividades humanas han sido el principal factor para contribuir al agotamiento de los recursos hídricos del planeta. El estrés hídrico es la variable relacionada con la disponibilidad de agua, es decir, el porcentaje de escasez del líquido respecto al total disponible.
Conceptos básicos de diseño de condensadores
Ecuación de capacidad en intercambiadores de calor
Los condensadores para sistemas de refrigeración industrial y HVAC de gran escala tienen la función de rechazar el calor que absorbe el sistema de los espacios refrigerados, más el calor inyectado por el sistema de compresión. Se definen por la fórmula:
Q = U*A*ΔT
SIENDO:
Q = Capacidad requerida de rechazo de calor en el condensador
U = Coeficiente global de transferencia de calor
A = Área de intercambio de calor (tamaño del condensador)
ΔT=Diferencia de temperatura entre la de condensación del diseño del sistema de refrigeración y la del aire ambiente del diseño referido a la ciudad donde se instalará el condensador
Del ejemplo anterior se sigue que a una temperatura ambiente menor el condensador requerido para una misma capacidad de rechazo demandará menor superficie de intercambio para lograr su objetivo. Mientras tanto, el área de intercambio requerida por el condensador será mayor en una ciudad con mayor temperatura ambiente.
Temperatura de TBS vs TBH
La Temperatura de Bulbo Seco (TBS) se refiere a la del aire ambiente. El término “seco” se da por el hecho de no considerar la humedad contenida en el entorno. En cambio, la Temperatura de Bulbo Húmedo (TBH) es la de saturación adiabática. Ésta tiene que ser medida con un termómetro que será rodeado con un elemento húmedo en su bulbo sensor, de tal forma que la evaporación de agua desprendida del elemento humedecido disminuirá la temperatura censada, siendo ésta la TBH. La cantidad de evaporación de agua desprendida del elemento humedecido y la diferencia de temperatura resultante contra del bulbo seco dependerá de la humedad contenida en el aire.
Las temperaturas de bulbo seco y húmedo de diseño dependerán de la ciudad donde instalé el sistema (ya sea de refrigeración industrial, o bien, HVAC de gran escala), por lo que se tendrán diversas bases de datos, a fin de obtener dichas temperaturas para el adecuado diseño del condensador del sistema.
Tecnologías de enfriamiento en el lado de rechazo de calor
1 Condensador evaporativo
En los sistemas de refrigeración industriales es muy común ver la opción de condensador evaporativo como medio de rechazo de calor. Esta condición hace de estos equipos un consumidor importante de agua de calidad en las plantas industriales.
Además, se caracterizan por la existencia de una aspersión de agua continua sobre el serpentín intercambiador de calor contenido en él y al mismo tiempo sobre el aire de ingreso al aparato. El diseño de tales unidades requiere que el flujo de agua sea constante durante todo el tiempo de operación del sistema, recirculando agua desde un depósito inferior hacía los aspersores en la parte superior de la unidad.
Su gran ventaja es que siempre se considera su diseño con la TBH, lo cual brinda la posibilidad de mantener altos diferenciales de TBH y de la condensación que resulta en requerimientos menores de área de intercambio, es decir, una inversión inicial baja, aun dando la oportunidad de diseñar con bajas temperaturas de condensación.
Lo anterior trae consigo las mayores ventajas para el diseño de un sistema de refrigeración, sobre todo considerando sistemas que ocupan amoníaco (NH3) como refrigerante. Esto se debe a la baja densidad del gas, que conforme se aumentan los regímenes de operación del NH3 en el lado de alta presión, impactará directamente en el dimensionamiento de las tuberías y en la eficiencia y potencia de los compresores.
La gran desventaja de los condensadores evaporativos es la suma de las consecuencias y costos que genera la utilización de agua, el contacto con los metales, su exposición al ambiente y la evaporación de la misma.
De esta forma, la operación continua con agua implica:
- Costos de operación por consumo de agua (evaporada y purgada)
- Costo de mantenimiento para mantener controlada la formación de incrustación
- Costos de operación por pérdida de eficiencia del condensador por capa de incrustación
- Costos de operación por tratamiento de agua para mantener estables los puntos de conductividad, pH, potencial corrosivo, bio-formación, etcétera
- Costos energéticos por utilización de bomba de recirculación de agua
- Costos por pasivación en el caso de condensadores fabricados con acero galvanizado
- Se genera pluma de evaporación, portadora de contaminantes biológicos que pueden ser dañinos para el ser humano. Asimismo, la pluma de vapor es un potencial foco de corrosión en áreas aledañas al condensador
2 Condensador enfriado por aire Compuestos generalmente por un serpentín aletado y ventiladores de velocidad variable, este tipo de sistemas utilizan solamente aire como medio de enfriamiento del serpentín condensador. El hecho de que trabajé sólo con aire elimina todas las desventajas anteriormente mencionadas en el sistema evaporativo; en otras palabras, se elimina al 100 por ciento el uso de agua, por lo que no es necesario el tratamiento de ésta y la limpieza requerida es mínima.
Por el lado negativo, encontramos que está limitado a operar con TBS. En consecuencia, los diferenciales de temperatura entre ambiente de diseño y de condensación, por mínimos que sean, repercuten en un área extensa de intercambio requerida. Por tanto, se necesitará una mayor inversión inicial, lo que obliga a establecer temperaturas de condensación más altas la mayoría de las veces. Esto repercutirá en la potencia instalada de los compresores y en la eficiencia de los mismos. Este tipo de tecnología es ideal para localidades con climas regularmente templados en el orden de temperaturas máximas promedio de 80 °F.
3 Condensadores híbridos Se caracterizan por ofrecer los mayores beneficios de las dos tecnologías anteriormente descritas. Por ello, buscan operar como un condensador enfriado por aire la mayor parte del tiempo que les sea posible. Sólo cuando la temperatura ambiente llegue a determinado valor, conocido generalmente como la temperatura de switch, o cuando la carga térmica del sistema lo demande, inicia la operación en modo húmedo. Esto les da a los condensadores híbridos la posibilidad de ser diseñados con temperatura ambiente inferior a la TBS.
Su gran ventaja deriva en poder diseñar sistemas en mejores condiciones que los condensadores enfriados sólo por aire y, dependiendo del perfil climático de la ciudad donde serán instalados, serán más o menos competitivos contra la alternativa evaporativa.
Existen varios tipos de condensadores híbridos, los de contacto directo con agua y los de contacto indirecto. El material de este papel técnico se refiere a los primeros.
4 Condensador adiabático El sistema adiabático se caracteriza por no generar un contacto directo entre la superficie metálica del serpentín condensador y el agua de enfriamiento de aire que ingresa al intercambiador. Esto implica que no existe una evaporación por contacto directo entre el metal y el agua; por lo tanto, no existe una evaporación por intercambio de calor, registrándose efectivamente una evaporación, pero sólo por saturación adiabática.
Un proceso adiabático se define, entonces, como un proceso termodinámico durante el cual no se extrae ni agrega calor al sistema. La saturación adiabática es la evaporación de agua a aire sin ganancia o pérdida de calor, es decir, el calor sensible tanto en el agua como en el aire se convierte en calor latente en el estado vaporizado; en consecuencia, el aire es enfriado y humidificado.
Se conforma por un intercambiador de calor tubo-aleta en el interior, y a la entrada del aire tiene instalados unos paneles de cartón celular hidrofílico humidificados por un sistema de distribución de agua. Éste sólo iniciará operación a partir de una cierta temperatura ambiente llamada temperatura de switch de modo seco a húmedo. El agua de humidificación es de un solo paso y no se recircula.
Perfil climático
Cada localización geográfica tiene sus particularidades climatológicas que serán determinantes para la elección de la solución adecuada a considerar en el condensador de los sistemas HVACR, aunado a las prioridades de diseño.
Ciertos usuarios preferirán sistemas que aumenten la eficiencia energética, otros darán prioridad al ahorro de agua, y algunos buscarán una media entre ambos Un elemento determinante para lograr dichos objetivos será tener claro el perfil climático de la localidad donde se instale el sistema en cuestión.
Con base en la clasificación del climatólogo alemán Wladimir Köppen (ver tabla 1) tenemos la primera pauta para obtener un mapa de la aplicación de la tecnología que, por lo general, aplicará en climas fríos o templados, ya sea húmedos o secos. En climas fríos o templados, húmedos o secos, o bien, en extremosos de perfil seco.
La tercera letra de la clasificación nos dará la escala termal:
i: severamente caluroso, Tª media mensual ≥35 °C
h: muy caluroso, de 28 a 35 °C
a: caluroso, de 23 a 28 °C
b: templado, de 18 a 23 °C
l: medio, de 10 a 18 °C
k: fresco, de 0 a 10 °C
o: frío, de −10 a 0 °C
c: muy frío, de −25 a −10 °C
d: severamente frío, de −40 a −25 °C
e: excesivamente frío: ≤−40 °C
Climas más óptimos para condensadores adiabáticos
Todos D, todos E, Cfa, Cfb, Csa, Csb, Cwa, Cwb, Cfc, Csc, Cwc, Bsk, Bwk. Las variables clave para analizar el perfil climático son:
- TBS máxima promedio para diseño
- TBH máxima promedio para diseño
- Registro de incidencia de TBS por hora
- Registro de incidencia de Humedad relativa por hora
Dicha información puede ser localizada en diversas bases de datos en cada país, algunas de las cuales son de organismos públicos, como el caso reportado en este ejemplo que proviene de la Comisión Nacional del Agua; algunas otras son de particulares.
Con estas variables identificadas es posible definir lo siguiente:
- Alternativa tecnológica a utilizar
- Temperatura de condensación de diseño del sistema
- Temperatura de switch seco-húmedo en sistema adiabático
- Consumo energético anualizado en ventiladores
- Consumo de agua anualizado en sistema adiabático
Sistemas de control y perfil de carga
El diseño de un sistema de refrigeración industrial o HVAC de gran escala se debe realizar de acuerdo con las condiciones más críticas:
- Sistema al 100 por ciento de carga de refrigeración demandada
- Temperatura del aire ambiente máxima promedio de diseño
En el caso exclusivo de los condensadores:
- Calor total de rechazo
- Temperatura del aire ambiente máxima promedio de diseño
En cuanto a los condensadores, éstos ajustan su capacidad de acuerdo con dos variables:
- Calor de rechazo demandado por el sistema, la cual está en función de la demanda del sistema frigorífico como tal
- Variación de temperatura ambiente por debajo de la temperatura ambiente máxima promedio de diseño
Lógica de control en condensadores adiabáticos
El control de un condensador adiabático debe monitorear:
- Tipo de refrigerante y presión de condensación de diseño
- Temperatura de bulbo seco del ambiente
- Humedad relativa del ambiente
Y controlar por lo menos:
- Velocidad de ventiladores
- Punto de switch para inicio o paro de operación húmeda
Flujo de agua inyectado a los paneles de humidificación
El equipo operará con lógica híbrida, buscando funcionar el mayor tiempo sólo con aire, es decir, sin consumir agua. Conforme la temperatura ambiente se incrementa, aumentará la velocidad de los ventiladores y será hasta la temperatura de switch (TSP) cuando entrará en operación la humidificación de aire. Ésta disminuirá la temperatura del aire, ingresando al intercambiador de calor. En ese punto, los ventiladores vuelven a disminuir su velocidad.
Un criterio limitante para la operación en modo húmedo con control de caudal de agua de humidificación es que no se opere a más de 2 mil 500 horas al año; esto con la finalidad de garantizar ahorro en consumo de agua, respecto al consumo de un condensador evaporativo.
Matriz de criterios de diseño
En la matriz de la tabla 3 se analizan las implicaciones de uso del condensador adiabático, en comparación con el uso del evaporativo y el enfriado por aire.
La lógica de este análisis es buscar una reducción en el consumo de agua generado por un condensador evaporativo. Por lo tanto, se determina un punto de switch en el condensador adiabático de seco a húmedo a una alta temperatura, con el propósito de que el equipo opere durante más tiempo en modo seco.
Para compensar la disminución del diferencial de temperatura entre al aire humidificado con el sistema adiabático y la temperatura de condensación es fundamental incrementar la temperatura de condensación. Asimismo, existe la posibilidad de aumentar el consumo eléctrico de los compresores en ciertas condiciones, lo cual se compensa siempre que se ajusta la temperatura o presión de condensación como flotante.
Desde la óptica comparativa al condensador evaporativo en el diseño del sistema (considerando el adiabático), se incrementa el área de intercambio para una mayor inversión inicial, área de instalación y potencia eléctrica instalada en los ventiladores de velocidad variable del condensador adiabático, pero el ahorro de agua se verá optimizado.
Desde la óptica de un condensador enfriado por aire, vemos como la opción adiabática disminuirá la potencia requerida en compresores. Además de la inversión inicial, se necesitará de áreas de intercambio y de instalación, con un consumo mínimo de agua respecto al de sólo aire.
Conclusiones
Dada la situación actual en cuanto a la creciente escasez de H2O y el aumento continuo de su precio, los condensadores adiabáticos ofrecerán alternativas para el ahorro de agua y la reducción inmediata de gastos asociados con el uso de este líquido de enfriamiento en plantas industriales y sistemas HVAC de gran escala.
Esta tecnología permite reorientar y disminuir de manera importante el consumo hídrico con la menor penalización energética posible, o bien, contribuir a la maximización del ahorro de agua visto desde la óptica de la sustitución de condensadores evaporativos o torres de enfriamiento.
Finalmente, los sistemas adiabáticos implicarán diseños más eficientes energéticamente, cuando sean confrontados por equipos enfriados sólo por aire y con un consumo de agua mínimo.
Es importante mencionar que los condensadores adiabáticos tendrán una mayor certeza de aplicación en zonas donde la diferencia entre TBS y TBH sea de al menos 10 °C y con calidad de agua de una red de abastecimiento municipal.
Ricardo García
Ingeniero Mecánico Electricista con especialidad en Ingeniería Agrícola por el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey. Actualmente se desempeña como ingeniero de Aplicaciones y Soporte de Ventas en Güntner de México, para el mercado latinoamericano, donde desarrolla actividades vinculantes con organismos e instituciones enfocados en la regulación y normalización en materia de eficiencia energética y uso racional del agua.
