Un paso hacia el futuro: tecnologías adiabáticas de humidificación

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Fotografía superior. La industria HVACR precisa entregar al mercado las soluciones más innovadoras y sustentables, para lograrlo, se desarrollan TECNOLOGÍAS enfocadas en mejorar la eficiencia de los equipos en todos los sentidos

Leandro Olivera

De acuerdo con la ONU, la energía es el principal factor que contribuye al cambio climático, y representa alrededor del 60 por ciento de todas las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero. El organismo internacional señala también que, en 2015, el 17.5 por ciento del consumo final de energía provino de fuentes renovables y prevé que, para 2030, se duplique la tasa de mejora de la eficiencia energética. Para lograr estas previsiones, recomienda a las empresas comprometerse con satisfacer el 100 por ciento de sus necesidades operacionales de electricidad a partir de recursos renovables.

Para el cumplimiento de este objetivo, el segmento de la humidificación ha desarrollado, en los últimos años, tecnologías que contribuyen a la eficiencia energética, la reducción de contaminantes y la disminución de los costos de operación por consumo eléctrico.

Actualmente, existen dos procedimientos para añadir agua a un sistema, los cuales se definen por la energía utilizada para vaporizar el agua y el efecto térmico que producen en el aire. A estos procedimientos se les conoce como humidificación isotérmica y humidificación adiabática.

Humidificación isotérmica
Es la tecnología de humidificación dominante en el mercado mexicano. Se caracteriza por generar vapor al elevar la temperatura del agua a los 100 °C, utilizando la energía provista por un humidificador, que puede trabajar con corriente eléctrica, gas o vapor a presión de una caldera.

Se le denomina isotérmica (aunque no es exactamente un proceso isotérmico en el sentido termodinámico) porque genera un pequeño aumento de temperatura en el ambiente (valor F de 0.12 kg de vapor), causado por la adición de vapor al aire del sistema. Este valor bajo suele ignorarse debido a que, a medida que la humedad relativa aumenta, la temperatura se mantiene.

Humidificación adiabática
En el Estudio teórico experimental de la humidificación adiabática en aplicaciones HVAC&R (Fonseca, Cuevas, 2008), se explica que los humidificadores que utilizan este proceso intercambian el calor sensible del aire con el calor latente del agua para lograr la evaporación. El resultado es una caída en la temperatura, mientras que la entalpía permanece casi constante. En otras palabras, la humedad se agrega al aire a expensas (o en beneficio) de una caída en la temperatura del mismo.

Al diseñar un sistema adiabático, se debe hacer una cuidadosa consideración de las condiciones de humedad y temperatura del aire de entrada. Dado que el proceso ocurre con una entalpía casi constante, el aire debe estar lo suficientemente caliente para absorber la humedad necesaria y lograr la humedad relativa del espacio deseado. Por lo tanto, el aire que entra debe precalentarse antes de la humidificación, especialmente en climas más fríos y en sistemas con grandes cantidades de aire exterior.

Criterios de selección
Para saber qué tipo de humidificación se requiere para cada aplicación, ya sea isotérmica o adiabática, primero se deben entender los siguientes conceptos físicos de la humedad:

  • Para cambiar un litro de agua de estado líquido a gaseoso se requieren 2,258 kJ de trabajo, aproximadamente 0.627 kW/h
  • Para hervir agua de 0 °C hasta antes del punto de ebullición, se necesitan 417 kJ de trabajo (0.12 kW/h)
  • Entonces, para convertir un litro de agua a 20 °C a vapor, se requieren en total 0.722 kW/h

Figura 1. energía para evaporar y cambiar el estado físico del H20

En un sistema adiabático, la energía necesaria para el cambio de estado se toma del aire, el cual pierde temperatura para ganar humedad (Figura 1).

En el artículo Modelo computacional simplificado como herramienta para auditorías energéticas en sistemas HVAC/R, (Fonseca y Tabiquirá, 2008), los autores señalan que “en los sistemas adiabáticos, se intercambia calor sensible del aire con calor latente del agua para evaporarla. El resultado es una reducción de la temperatura del aire mientras que la entalpía del aire permanece constante. En otras palabras, se adhiere humedad al aire a expensas de una reducción en su temperatura. En general, hay tres tipos de humidificadores adiabáticos: enfriadores evaporativos, por elemento húmedo y atomizadores de agua”.

Fonseca y Tibaquirá presentan los resultados del estudio realizado para obtener un modelo computacional simplificado de sistemas de humidificación, que puede ser empleado en terreno como herramienta de diagnóstico en auditorías energéticas de sistemas. Asimismo, se parte del principio de que, generalmente, se establecen comparaciones entre los sistemas de humidificación isotérmica y adiabática basadas solamente en la energía requerida para generar el vapor o el aumento de la humedad. No obstante, es poca la atención que se ha dado a su efectividad y correcto funcionamiento y cómo varía su comportamiento con las condiciones del medioambiente.

Figura 2. Evolución de un proceso de humidificación adiabática

Los autores definen la eficiencia de humidificación de la siguiente manera: “la humidificación por saturación es generalmente llamada humidificación adiabática. Se caracteriza por presentar una variación de la entalpía del aire y la temperatura de bulbo húmedo a la entrada y salida del humidificador despreciables. La evolución del proceso en buena aproximación da lugar por lo tanto a un proceso a temperatura húmeda del aire constante” (Figura 2).

De tal manera que la humidificación adiabática ofrece bajos costos de operación, reducción en los consumos energéticos, así como disminución en los costos de enfriamiento.

Tecnologías de humidificación adiabática
En el mercado existen diferentes ofertas de tecnología para la humidificación adiabática, su elección depende de las aplicaciones, condiciones de diseño y requerimientos del proyecto. A continuación, se mencionan algunas de ellas:

Humidificador de rociado de recirculación (lavadora de aire). En estos dispositivos, el agua del humidificador se encuentra en un recipiente abierto y se rocía desde allí mediante una bomba de circulación a través de los conjuntos de boquillas en la carcasa del humidificador. Esto evapora una porción del agua que debe ser rastreada usando un control de flotador en la pileta. Además, una porción del agua concentrada del humidificador se drena de la pileta y se alimenta de la misma manera a través del control del flotador. El propósito operativo real es lavar sustancias tóxicas del aire. En la actualidad, sin embargo, debido a la concientización en materia de higiene, este tipo de dispositivos rara vez se utiliza en la humidificación; el control continuo de la salida no es posible con estos sistemas o sólo es posible en términos muy restringidos.

Humidificador de contacto (de goteo en panel evaporativo). Aquí, el agua gotea a través de un cuerpo de contacto. El aire del sistema pasa a través del cuerpo de contacto húmedo y el agua se evapora parcialmente en la superficie del cuerpo de contacto. Si bien los equipos tradicionales y comerciales tienden a usarse cada vez menos en la humidificación debido a la conciencia de higiene, existen nuevas tecnologías, marcas y modelos que proveen una alta protección bacteriológica gracias a la utilización de paneles de poliester, así como sistemas de filtración de luz ultravioleta e iones de plata que garantizan la calidad del agua.

Los humidificadores de panel evaporativo, a diferencia de las lavadoras de aire tradicionales y comerciales, tienen un control continuo de la salida de humidificación. Dependiendo de las condiciones climáticas de la aplicación, alcanzan eficiencias de un 75 a un 95 por ciento para alcanzar una humedad relativa del 80 por ciento,

Humidificador de agua y aire comprimido. La adaptabilidad de los sistemas de humidificación alcanza cualquier sector, aplicación o requerimiento energético. En industrias como la automotriz, textil, impresión o maderera, al igual que en los procesos de refrigeración y congelación de alimentos, el aire comprimido es un insumo frecuente. Existen tecnologías capaces de controlar el agua y la fuerza del aire comprimido para nebulizar una capa fina de agua a través de un sistema de boquillas. Estos equipos están diseñados para aplicaciones en el espacio, aunque también es posible encontrarlos para aplicaciones en manejadoras o ductos, principalmente.

Las ventajas de este método de humidificación son una capacidad de trabajo por debajo de los 4 ºC; un mantenimiento centrado en conservar operativo el compresor de aire, además de requerir poca frecuencia en el cambio de componentes.

Humidificador de alta presión. Con una bomba de alta presión, el agua humidificadora se atomiza en aerosoles de agua fina a presiones de hasta más de 100 bar (g). La humidificación se produce a través de la evaporación parcial de esta niebla en la corriente de aire.

El agua humidificadora que no se evapora se debe descargar a través de separadores de gotas. En humidificadores de alta presión, se debe tener especial cuidado para garantizar que el agua de humidificación atomizada sea higiénica, ya que se mezcla en el aire inhalado, por lo que se debe prevenir la formación de gérmenes en las cámaras de las boquillas.

¿Hasta qué punto es posible el control continuo de la salida de humidificación? La respuesta depende del equipo de bombeo y de las boquillas atomizadoras utilizadas. Estos sistemas trabajan bajo un volumen mínimo de agua para una función sin fallas.

Este tipo de equipos tienen la flexibilidad para ser usados en las manejadoras de aire, en los ductos o, en su defecto, directamente en el ambiente cuando no existe control de temperatura ni manejo de aire en el área a humidificar.

La ventaja que ofrece esta tecnología radica en la capacidad una sola bomba para manejar desde una hasta doce manejadoras de aire y alcanzar capacidades de hasta 6,000 litros de agua por hora, presentando un ahorro de energía y un costo de inversión menor.

Humidificador ultrasónico. En los humidificadores ultrasónicos, los elementos oscilantes de cerámica se encuentran en el fondo de un recipiente de agua abierto. Estos son excitados eléctricamente y generan vibraciones de alta frecuencia. Debido a esto, se expulsan gotas muy finas en la superficie del agua, que son absorbidas por la corriente de aire que pasa y transportadas al aire del sistema para ser humidificado. Estas gotitas se evaporan en la corriente de aire sobre una distancia específica.

Los humidificadores ultrasónicos se consideran muy sensibles en términos higiénicos. Es posible el control continuo y ajustable de la salida de humidificación.

Humidificador híbrido. Estos equipos son una combinación de atomización y evaporación. El agua de humidificación se atomiza a baja presión en forma de finas gotas, primero en una cámara de humidificación, después se evapora parcialmente en la corriente de aire. Las gotas de agua restantes se recogen mediante elementos cerámicos y se revaporan allí.

El agua de humidificación inyectada se aprovecha muy bien. Esta tecnología de dispositivos se caracteriza por un alto grado de seguridad de higiene. La combinación de atomización y evaporación hace posible una humidificación ajustable en todo el rango de salida.

Elementos de seguridad para el control de humidificadores adiabáticos

  • Humidistato de seguridad (en atomizadores de alta presión y ultrasónicos).
  • Monitoreo del sistema
  • Interruptor de presión diferencial en ducto
  • Controlador de flujo

Si por alguna razón se excede la humedad máxima permitida, los humidistatos de seguridad deben apagar el humidificador. Estos dispositivos de seguridad no cumplen ninguna función de control; por lo tanto, deben instalarse junto con los sensores de control requeridos, y siempre colocarse como el primer elemento de medición después del sistema de humidificación.

Humidificador de agua y aire comprimido

Colocación de sensores de humedad y humidistatos
Se debe prestar atención a la mezcla uniforme del aire del sistema. Instalar sensores de humedad y humidistatos a una distancia adecuada del sistema de humidificación, para obtener los mejores resultados

Consideraciones

  • Control del punto de rocío para humidificadores adiabáticos sin control de salida continua (lavadoras de aire, paneles evaporativos)
  • Control de entalpía para humidificadores adiabáticos con control de salida continuo
  • Calor del ventilador y las cargas térmicas de la habitación para el diseño del humidificador
  • Asegurar un flujo de aire uniforme. Si es necesario, hay que instalar láminas perforadas o rectificadores antes de los sistemas de humidificación
  • Instalación de humidistatos de seguridad en humidificadores de alta presión y ultrasónicos
  • Instalación de humidistatos de seguridad para la humidificación central y la rehumidificación en zonas de temperatura individuales
  • No colocar humidistatos de seguridad superiores al 80 por ciento de HR

Estrategias de enfriamiento evaporativo
Adicionalmente, y por las características antes mencionadas, los humidificadores adiabáticos son utilizados como sistemas de ahorro de energía en las unidades de tratamiento de aire. Hay tres estrategias principales para el enfriamiento por evaporación:

Boquilla de precisión del humidificador de agua y aire comprimido

1. Enfriamiento por evaporación directa
La humedad se agrega a la corriente de aire fresco entrante, lo que reduce su temperatura y aumenta la humedad. Este aire acondicionado se suministra directamente a la habitación, con un alto porcentaje del aire de la habitación que se está agotando, en lugar de recircular, para mantener un nivel de humedad adecuado en la habitación.

La cantidad de enfriamiento que se puede lograr depende del nivel de humedad de la corriente de aire entrante. El aire con una humedad más baja absorberá más humedad, lo que resultará en un mayor efecto de enfriamiento por evaporación.

2. Enfriamiento evaporativo indirecto
El aire exterior se utiliza para enfriar un ambiente interno sin mezclar las corrientes de aire internas y externas. El aire exterior se ejecuta a través de una unidad de recuperación de calor (HR) y luego se agota. El aire de retorno de la habitación es enfriado por la unidad manejadora de aire antes de ser reintroducido en la habitación.

Al humidificar la corriente de aire externa antes de la unidad de FC, se reduce su temperatura, lo que mejora la capacidad de enfriamiento del sistema. Esto permite el uso de enfriamiento evaporativo indirecto cuando la temperatura exterior es más alta que la condición de suministro de habitación deseada. Una velocidad más alta en la corriente de aire externa que en la interna aumenta aún más la capacidad de enfriamiento del sistema.

3. Enfriamiento por evaporación del aire de retorno
El aire de retorno extraído de la habitación es enfriado por el humidificador antes de ejecutarse a través de una unidad de HR y luego expulsado al exterior. La energía térmica fría proporcionada por el humidificador es transferida a la corriente de aire entrante por la unidad manejadora de aire, enfriándola y reduciendo la carga requerida en los sistemas de aire acondicionado de expansión directa. Como no hay mezcla del aire de retorno humidificado con el aire fresco entrante, no se agrega humedad, por lo que el enfriamiento ocurre independientemente del nivel de humedad del aire entrante.

En una época en la que la tecnológica, las normas de fabricación, la conciencia global, el cuidado del medioambiente, la reducción de costos y el ahorro de energía son una tendencia hacia el futuro, los sistemas de humidificación adiabática pueden ser una opción que satisfaga estas demandas; esto porque el agua que se atomiza en partículas de tamaño micrométrico se absorbe inmediatamente en el aire ambiente o en el ducto. Los sistemas se controlan internamente para monitorear las zonas de humidificación de las instalaciones y responder, en consecuencia, las 24 horas del día para mantener los niveles de humedad deseados. El rango típico de operación es del ±2 por ciento desde el punto de ajuste de humedad relativa, independientemente de las condiciones ambientales. El equipo de distribución de humidificación se ajusta a las características de la instalación para garantizar una evaporación del 100 por ciento de la humedad.

Además de cumplir con su función principal, los humidificadores adiabáticos proporcionan refrigeración económica y los incentivos energéticos a menudo están disponibles para reemplazar tecnologías de humidificación más antiguas y menos eficientes.

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Leandro Olivera

Director general de Condair México. Especialista con más de diez años de experiencia en ingeniería, instalación y mantenimiento de sistemas de humidificación para los sectores productivo, alimentario y de salud.