Conceptos de enfriamiento. Por aire, evaporativo, adiabático e híbrido

Stephen G. Kline* / Fotos: cortesía de BAC

Los sistemas de enfriamiento para aplicaciones de confort y refrigeración industriales utilizan alguno de los métodos principales para el rechazo de calor: enfriado por aire, por agua, adiabático. En el caso del enfriamiento híbrido, el rechazo del calor combina dos o más de estos métodos, y es una técnica que ha ido ganando popularidad en los últimos años.

Para elegir el sistema de enfriamiento óptimo, es necesario considerar algunos conceptos básicos y factores como el clima, el costo operativo deseado, la disponibilidad de agua, la carga de enfriamiento, los costos de mantenimiento y cualquier otro objetivo o restricción potencial específica del sitio.

Enfriados por aire
Los sistemas enfriados por aire usan enfriamiento seco. El aire pasa sobre un intercambiador de calor con aletas que contiene el fluido del proceso. El calor sensible se transfiere del fluido del pro- ceso en el intercambiador de calor a la corriente de aire que fluye a través de la unidad. Para enfriar eficientemente el fluido del proceso a la temperatura deseada para el sistema, la temperatura de bulbo seco debe ser significativamente más baja que la temperatura del fluido.

En climas cálidos y durante períodos de temperatura ambiente alta, esta tecnología da como resultado temperaturas de diseño de fluidos de proceso más altas y eficiencias generales del sistema más bajas.

Las unidades enfriadas por aire con- sumen una gran cantidad de energía para operar los ventiladores, que deben mover un gran volumen de aire. También se requiere un área de superficie de transferencia de calor significativamente mayor en relación con otros métodos de enfriamiento. Esto redunda en una huella mucho más grande para los enfriadores secos, a diferencia de los sistemas que utilizan el rechazo de calor evaporativo o adiabático.

La mayor temperatura de funciona- miento del diseño del sistema ofrece un consumo de energía significativamente mayor. Finalmente, debido a que funciona con temperaturas de fluido de proceso más altas y el calor es el enemigo de los sistemas mecánicos, su vida útil es más corta que los equipos de enfriamiento alternativos que ofrecen temperaturas de diseño más bajas.

Enfriados por agua
Los sistemas enfriados por agua usan el rechazo de calor por evaporación para maximizar la eficiencia energética y el rendimiento térmico. El enfriamiento por evaporación rechaza el calor del agua recirculante y descarga aire tibio y húmedo a la atmósfera al utilizar tanto el potencial sensible como el latente del aire.

El rechazo del calor evaporativo reduce significativamente la potencia requerida del ventilador, el espacio ocupado y, lo que es más importante, el consumo total de energía del sistema. Este consumo, además, resulta mucho menor que el uso total de energía de sistemas de tamaño similar que utilizan enfriamiento por aire o rechazo de calor adiabático.

En torres de enfriamiento, enfriadores de líquidos y condensadores evaporativos, un sistema de rociado hace pasar agua sobre medios de relleno y/o un intercambiador de calor. Utilizando la misma física que la transpiración, el proceso de evaporación enfría la superficie del agua a medida que las moléculas de H2O pasan de la fase líquida a la gaseosa. Luego, el calor se rechaza a la corriente de aire a través de la unidad y, finalmente, a la atmósfera a través del proceso de enfriamiento por evaporación.

El proceso de evaporación depende de la capacidad del aire que ingresa para ab- sorber las moléculas de agua evaporadas utilizando la fuerza impulsora de la entalpía del aire. Cuanto más seco y menos húmedo sea el aire, mayor será este potencial, como lo indica la temperatura de bulbo húmedo, que siempre es igual o menor que la temperatura de bulbo seco del aire. La temperatura de bulbo húmedo está relacionada con la cantidad de humedad en el aire en relación con la temperatura de bulbo seco.

Una torre de enfriamiento por evaporación puede reducir el fluido del proceso en el intercambiador de calor a unos pocos grados de la temperatura de bulbo húmedo. Las torres de enfriamiento por evaporación y los enfriadores de líquidos han demostrado ser soluciones de enfriamiento potentes y de bajo consumo en todos los climas. Si bien utilizan agua, que generalmente es mucho menos costosa que la energía, sigue siendo un recurso natural importante para conservar. Esta conservación se logra desarrollando e implementando un programa efectivo de tratamiento de agua para el sitio.

Enfriamiento adiabático
El enfriamiento adiabático también utiliza la evaporación, pero como un medio para enfriar el aire que ingresa y pasa a través de un intercambiador de calor con aletas. En un sistema diseñado y operado correctamente, el intercambiador de calor con aletas se mantiene seco, protegiendo las superficies de las incrustaciones y la corrosión.

Para elegir el sistema de enfriamiento óptimo, es necesario considerar algunos conceptos básicos y facto- res como el clima, el costo operativo deseado, la disponibilidad de agua, la carga de enfriamiento, los costos de mantenimiento, entre otros aspectos.

El enfriamiento adiabático del aire se puede lograr rociando agua en la corriente de aire o usando almohadillas húmedas que brindan una superficie para que el agua y el aire interactúen. En el primer caso, el objetivo es que el agua rociada en la corriente de aire se evapore antes de llegar al serpentín con aletas, evitando la formación de incrustaciones y la corrosión en el serpentín que pueden afectar negativamente la eficiencia del sistema y la vida útil del equipo. En el segundo caso, se usa una almohadilla húmeda para enfriar la corriente de aire que ingresa. Las almohadillas están especialmente diseñadas para retener agua en la superficie para garantizar que no se traslade al serpentín con aletas, lo que minimiza el riesgo de daños en el serpentín.

El uso de una pequeña cantidad de agua para preenfriar el aire externo que ingresa al intercambiador de calor reduce el flujo de aire y la potencia del ventilador requeridos en comparación con las unidades enfriadas por aire. Esto al mismo tiempo que reduce la temperatura del fluido de regreso al sistema.

En los sistemas adiabáticos más eficientes, el aire se enfría cerca de la temperatura de bulbo húmedo. Tal depresión sustancial de la temperatura del aire da como resultado un aumento significativo en la capacidad de enfriamiento seco y la eficiencia energética en comparación con los diseños tipo secos. Una vez que la temperatura ambiente comienza a acercarse al punto de congelación, o durante momentos de carga reducida, la unidad puede cambiarse para operar en un modo de solo secado, disminuyendo así el uso del recurso hídrico.

Los controles del sistema de rechazo de calor adiabático están diseñados para ser flexibles, inteligentes y fáciles de usar, aprovechando al máximo los modos de funcionamiento duales. En un punto de diseño seleccionado por el cliente, como un ambiente de bulbo seco más frío y una carga de calor más baja, la unidad puede apagar el agua recirculante y cambiar a la operación en modo seco. Además, el sumidero de agua de recirculación de bajo volumen se drena automáticamente cuando se experimentan temperaturas bajo cero, lo que elimina la necesidad de calentadores de sumidero.

Es importante enfatizar que el diseño de recirculación de un sistema de rechazo de calor adiabático consume menos agua que una torre de enfriamiento por evaporación. Hay que considerar que algunos diseños utilizan un sistema de humectación de “un solo paso” que puede aumentar sustancialmente el uso de agua, en comparación con el sistema de tipo recirculante. Sin embargo, tales diseños también pueden violar los códigos locales que prohíben el uso de enfriamiento de un solo paso, por lo que se debe consultar a los funcionarios del código local.

Enfriamiento híbrido
Por último, los sistemas de refrigeración híbridos utilizan una combinación de tecnologías de rechazo de calor seco y de enfriamiento evaporativo. Combinando los beneficios de ambas soluciones, los productos híbridos son ideales para aplicaciones sensibles al agua; además, ofrecen tasas elevadas de eficiencia energética. Esto porque tienen la opción de operar en modo húmedo, agregando los beneficios asociados con el rechazo de calor evaporativo o adiabático, así como operar en modo seco. Dependiendo de los requisitos de agua y energía del cliente, junto con las condiciones ambientales, los sistemas híbridos pueden cambiar la carga al método adecuado de rechazo de calor para optimizar la conservación de agua y energía para un sitio específico.

Ya sea por aire, evaporativo, adiabático o híbrido, lo importan- te es conocer el tipo de aplicación, los recursos disponibles y los aspectos climáticos que intervendrán en el funcionamiento de los sistemas RAC. Sólo así podemos optimizar su eficiencia y lograr el retorno de la inversión con el tiempo.