Humidificación isotérmica para un ambiente interior saludable

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Para conocer el porcentaje correcto de humidificación en un espacio interior se requiere hacer un cálculo con ayuda de la carta psicrométrica. En este artículo te mostramos cómo hacerlo para el caso de una cámara de climatización

José Rodrigo Almaraz / Imágenes: cortesía de Haften

En el mercado hay muchos sistemas de movimiento y tratamiento de aire que buscan el control de humedad. En los hogares, la humidificación proporciona confort climático; en las industrias se utiliza para controlar la humedad y la temperatura para diferentes procesos donde se requiere un ambiente controlado que garantice la calidad y seguridad de los productos. Algunas de estas industrias son la alimentaria, automotriz, laboratorios y salas blancas, insumos médicos y farmacéuticos, producción de papel, textiles, tabaco, museos, etcétera.

Entre las problemáticas que pueden ocurrir cuando no se cuenta con un buen control de la humedad están la electricidad estática, salud comprometida, deterioro de artes plásticas, humedad fuera de norma en procesos farmacéuticos, entre otros.

Estática. Un ejemplo de esto se encuentra en la producción de tarjetas electrónicas. Los fabricantes cuidan mucho las condiciones de humedad durante la producción para garantizar la calidad del producto, ya que, si se cuenta con un bajo nivel de humedad relativa (HR), esto podría causar la presencia de descargas electrostáticas en la fabricación de los componentes electrónicos o un mal montaje en los pequeños componentes. Otro buen ejemplo, son las cámaras de pintura automotrices donde se utiliza pintura en polvo. Aquí se busca equilibrar la carga electrostática por medio del control de humedad para asegurar la adherencia de la pintura a la carrocería y, al mismo tiempo, despejar el área de fibras y polvo en el aire que podrían causar defectos de calidad.

Si no se tiene un control de humedad en las cámaras de pintura de las automotrices, la pintura no se adherirá correctamente a la lámina. Para ello, se utiliza pintura con carga eléctrica. En este caso, el vapor de agua funciona como un conductor para que la estática aterrice de forma natural en la humedad

Salud comprometida. Algunas ciudades de la república cuentan con altos niveles de humedad relativa a causa de su ubicación geográfica. Esto hace que problemas de resequedad en la piel o labios partidos sean un problema poco común. Sin embargo, en las ciudades del norte de México los climas extremos, tanto de temperatura como de HR, pueden ocasionar niveles de humedad de hasta un 5 por ciento, repercutiendo en la salud de la piel al formar cortaduras en la misma. Además, el sistema respiratorio se ve comprometido por la baja humedad, haciendo susceptible a la persona a infecciones respiratorias por la poca lubricación en la mucosa. Se ha descubierto que el control de HR al 50 por ciento con una temperatura de 23 °C en aplicaciones para el sector salud, ayuda a prevenir enfermedades respiratorias. Esto se debe a que, si el sistema respiratorio está lubricando, se reducen la exposición directa a patógenos, polvo, ácaros, etcétera. El control de estas dos variables reduce considerablemente el tiempo de vida de virus y bacterias en superficies.

Artes plásticas. El deterioro de artes plásticas (pintura, telas, esculturas de diversos materiales) en museos y galerías se debe principalmente a la baja humedad relativa. Estos materiales requieren una HR estable para mantenerse en buen estado; de lo contrario, pueden llegar a resquebrajarse. Otras industrias similares son la de la madera y las empresas textiles que también necesitan control de humedad para evitar que el producto terminado se deteriore.

Industria farmacéutica. En México, la industria farmacéutica representa unos de los principales sectores en constante crecimiento. La importancia de la humedad relativa en la producción farmacéutica es crucial, tanto así que la HR en este proceso está regida por normas nacionales e internacionales. El monitoreo continuo por medio de data loggers exige un cálculo y selección correcta de los equipos de humidificación. Esto para asegurar que el ambiente no se vea alterado durante la producción y se eviten cortes o desecho de producción, incluso en los días con humedad relativa critica.

Cámaras climáticas. Éstas son solicitadas para laboratorios biológicos, la industria automotriz y de procesos alimenticios, en las cuales se puede aumentar o bajar la temperatura y la humedad para analizar el comportamiento de los materiales, la proliferación de bacterias, la preservación de alimentos, entre otros.

Figura 1. Gráfica elaborada por ASHRAE en la que se pueden observar los niveles óptimos de humedad relativa
Humidificación isotérmica

La principal característica de la humidificación isotérmica es el incremento de la HR en el aire sin modificar la temperatura. La generación de vapor consiste en la adición de energía a una determinada masa de agua en estado líquido para generar el cambio de fase líquida a gaseosa. Es decir, si tenemos un espacio con 12 °C y 30 % de HR en el ducto o en la manejadora, pasando la etapa de humidificación continuaríamos con 12 °C, teóricamente. Sin embargo, la HR se incrementaría de acuerdo con el porcentaje requerido por el usuario.

Figura 2. Datos para ejercicio de cálculo en invierno

Carta psicrométrica
Esta herramienta nos ayuda a conocer las condiciones físicas del aire. Para calcular la cantidad de humidificación en un lugar es importante tener claros los conceptos de la carta psicrométrica. La siguiente explicación nos servirá para entender el ejemplo de cálculo en una cámara de climatización en Nueva York.

En la Figura 3 el eje X refiere a la temperatura de bulbo seco. En el punto 2 se tiene la temperatura de bulbo húmedo. En las curvas se aprecia la HR, que es el porcentaje del vapor de agua presente en el aire a cierta temperatura. La relatividad depende de la variable de la temperatura. En el punto 4 se aprecia la línea de saturación, en la cual el aire ya no puede contener más vapor de agua y hace un cambio de estado de vapor a líquido. En el punto 5 se tiene el punto de rocío que está definido con una temperatura concreta. Es aquí donde comienza la condensación. En el punto 6 está la humedad absoluta que es la cantidad de vapor de agua que hay en una libra de aire seco o los kilogramos de vapor de agua en un kilogramo de aire seco. El punto 7 hace referencia al volumen específico. En él tenemos los pies cúbicos por libra de aire seco que hay en cierto punto. La entalpía comparte su línea de acción con la temperatura de bulbo húmedo. En ella se puede ver la energía por libra en los BTU o por libra de aire seco, dependiendo del punto donde nos encontremos.

Figura 2. Carta Psicrométrica

Cuando se va a solicitar un humidificador, se deben considerar las temperaturas de invierno, las cuales suelen ser las más críticas porque la humedad baja más drásticamente. En este caso las temperaturas de invierno son 11 °F con 51 % de HR.

Figura 4. Esquema de instalación

El porcentaje de aire fresco es del 100 por ciento. En el caso que vamos a analizar, se tienen 10 mil 000 CFMs. Las condiciones a las que se quieren llegar son las de 70 °F con 70 % de HR. Estos son los datos principales para calcular las libras por hora en un humidificador. Es posible saber la capacidad de un proyecto con las libras por hora o con los kilogramos por hora. Para iniciar el ejercicio no hay que perder de vista los datos de 11 °F con 51 % de HR y 70 °F con 70 % de HR porque buscaremos las humedades absolutas (W1 y W2), es decir, la información que se encuentra en el eje Y de la carta psicrométrica.

Figura 5. Psicrometría en invierno

Considerando las temperaturas críticas de invierno del exterior, hay que ubicarnos con esos dos puntos en la carta: toma del exterior son 11 °F con 51 % de HR. Lo segundo que hay que hacer es trazar una línea recta para encontrar la W1. La humedad absoluta en este caso es 0.00077 libras de agua sobre libra de aire seco o 5.5 granos en agua por libra de aire seco. Este punto es importante para la ecuación que se revisará más adelante. Después nos situamos en el punto en el que se desean tener las condiciones finales: 70 °F en este caso. Posteriormente, se deberán encontrar las condiciones que se requieren en el interior del lugar (70 °F con 70 % de HR). Si trazáramos una recta encontraríamos la W2, humedad absoluta 20.01095 libras de agua por libra de aire seco. Del punto 1 al 2 se puede apreciar el proceso isotérmico gráficamente, ya que aumenta la humedad relativa, manteniéndose al mismo tiempo la temperatura de bulbo seco constante.

El segundo paso es localizar en los puntos 1 y 2 los volúmenes específicos que se ven graduados de 13 a 14 pies cúbicos por libra de aire seco. Con estos valores ya listos continuamos con la ecuación (Figura 6). Tenemos la humedad absoluta 1 y 2, así como los volúmenes específicos 1 y 2. Estos datos nos ayudarán a determinar las libras-hora, multiplicándolos por los CFM de la toma de aire exterior. Esta ecuación es para el cálculo de las libras-hora. Tenemos los CFM que multiplica al factor de conversión para cambiar de minutos a horas por la diferencia de la W2, que divide el volumen específico 2 menos la W1, es decir, la humedad absoluta 1. Ésta divide el volumen específico 1 entre 7 mil granos.

Figura 6. Ecuación

Si introducimos los valores adquiridos de la carta, obtenemos un resultado igual a 449 libras por hora. Con este cálculo podemos seleccionar el equipo de vapor autogenerado más práctico y eficiente para la generación de 449 lb/hr de vapor limpio, en base a los servicios mecánicos ofrecidos por el usuario final. El flujo de vapor determinado será solicitado por el área a acondicionar, únicamente en los días críticos, por lo regular, durante el invierno donde baja demasiado la temperatura y, en consecuencia, la humedad relativa; no será un consumo constante todo el año el valor calculado. Otro punto muy importante a considerar en esta ecuación es el porcentaje de aire utilizado en la toma de aire exterior y no el aire total que se tiene en la manejadora de aire, ya que si fuera así el equipo aumenta considerablemente su capacidad y el costo del equipo.

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José Rodrigo Almaraz
Ingeniero Mecánico con especialidad en sistemas de humidificación. Egresado de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica del Instituto Politécnico Nacional. Cuenta con una amplia experiencia en sistemas HVAC comerciales, industriales, farmacéuticos y alimenticios. Actualmente, es responsable del área de Humidificación en Haften SA de CV.