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Salto térmico y humedad en la cámara frigorífica

¡Hola de nuevo una semana más! Esta vez he querido tratar el tema del salto térmico (DT) en los evaporadores de las cámaras frigoríficas, que como todos sabemos, tiene una influencia directa en la humedad relativa en el interior de la cámara. Este factor es determinante en el diseño de la instalación cuando trabajamos con productos que requieran altos niveles de humedad para evitar la desecación.

SALTO TÉRMICO Y HUMEDAD EN LA CÁMARA FRIGORÍFICA

Es conocido que el aire que circula por un evaporador pierde humedad, pero normalmente no es fácil saber cuánta humedad va a perder ese aire y de qué factores depende que haya una mayor o menor desecación del aire. La experiencia dice que para mantener una humedad relativa alta en una cámara frigorífica, es necesario mantener una alta temperatura de evaporación, de manera que el salto térmico (DT) entre el refrigerante y el aire que entra al evaporador sea lo más bajo posible. En el caso, por ejemplo, de secaderos de jamones o embutidos se desea justamente lo contrario, secar el aire lo máximo posible, por lo que el DT del evaporador deberá ser mayor.

Vamos a ilustrar estas reflexiones con un ejemplo real. Analicemos el proceso psicrométrico del aire que circula por un evaporador en una cámara frigorífica, partiendo de los siguientes datos:

  • Evaporador ECO CTE-353E6
  • Superficie de intercambio: 37,13 m2
  • Caudal de aire: 7530 m3/h
  • Coeficiente de transferencia de calor: 42,01 W/m2K
  • Tª evaporación del refrigerante: -3 ºC
  • Tª en el retorno del evaporador: 5 ºC

Las preguntas que nos surgen son, con este evaporador funcionando en estas condiciones, ¿qué humedad relativa tendremos en el aire a la entrada del evaporador?, ¿qué temperatura y humedad tendrá el aire a la salida del evaporador?, ¿qué temperatura y humedad media tendremos en la cámara?

Para responder a estas incógnitas debemos emplear el diagrama psicrométrico y representar la recta de enfriamiento del aire en el evaporador. Para ello localizaremos el punto psicrométrico de la superficie del tubo del evaporador, Punto 1, el cual estará a -3 ºC (la temperatura del refrigerante) y a 100 % de humedad relativa (el aire que rodea al tubo de refrigerante se encuentra saturado de humedad). La recta de trabajo del evaporador, también llamada “coil line”, es una recta que pasa por el Punto 1, y cuya inclinación depende del equilibrio higrométrico en la cámara. Por ejemplo, si el evaporador tiene un bajo caudal de aire, y si hay mucha apertura de puertas o el género está muy húmedo, la coil line será muy inclinada. Para la mayoría de casos habituales se puede tomar la coil line como una recta tangente a la curva de 100 % HR del diagrama, y que a su vez pasa por el Punto 1 (Figura 1).

Vamos a ubicar ahora el Punto 2, de aire de retorno de la cámara que entra en el evaporador. Este punto tendrá 5 ºC, como hemos establecido en el diseño, y una humedad relativa desconocida, la cual dependerá de la temperatura de evaporación prefijada. La forma de conocer esta humedad es sabiendo que el Punto 2 debe estar dentro de la coil line, por lo que ubicar dicho punto es sencillo. Las características del Punto 2 son las siguientes:

Punto 2, entrada al evaporador:

  • Tª: 5 ºC
  • H.R: 80 %
  • Tª húmeda: 3,53 ºC
  • Tª de rocío: 1,88 ºC
  • Humedad absoluta: 4,31 g/kg a.s
  • Volumen específico: 0,7931 m3/kg a.s
  • Entalpía específica: 15,88 kJ/kg a.s

El siguiente paso es conocer la ubicación del Punto 3, del aire a la salida del evaporador. Este punto también se encontrará dentro de la coil line, y para obtener su posición, debemos aplicar las ecuaciones de trabajo del evaporador:

(1)   \begin{equation*} \dot{Q}=K \cdot S \cdot (T_{2}-T_{1})$ \end{equation*}

Siendo:

\dot{Q}, la potencia del evaporador, en W

K, el coeficiente de transferencia de calor = 42,01 W/m2K

S, la superficie del evaporador = 37,13 m2

T_{1}, la Tª de evaporación (Punto 1) = -3 ºC

T_{2}, la Tª del aire a la entrada del evaporador (Punto 2) = 5 ºC

Por otra parte, la potencia del evaporador también puede expresarse desde el punto de vista del aire que se enfría en su interior:

(2)   \begin{equation*} \dot{Q}=\dot{m} \cdot (h_2-h_3)$ \end{equation*}

Siendo:

\dot{m}, el caudal másico de aire, en kg a.s/s

h_2, la entalpía específica del aire en el Punto 2 = 15880 J/kg a.s

h_3, la entalpía específica del aire en el Punto 3 = Es la incógnita que, una vez conocida, nos permitirá ubicar el Punto 3.

El caudal másico del aire a la entrada del evaporador se puede calcular a través del caudal volumétrico de aire en el evaporador, \dot{V}, y el volumen específico del aire a la entrada, v_{2}:

(3)   \begin{equation*} \dot{m}=\frac{\dot{V}}{v_2} = 2,64 kg a.s/s$ \end{equation*}

Si igualamos las ecuaciones 1 y 2, podemos obtener el valor de la entalpía específica en el Punto 3:

(4)   \begin{equation*} K \cdot S \cdot (T_{2}-T_{1}) =\dot{m} \cdot (h_2-h_3)$ \end{equation*}

(5)   \begin{equation*} h_3 = h_2-\frac{K \cdot S \cdot (T_{2}-T_{1})}{\dot{m}} = 11148 J/kg a.s$ \end{equation*}

Finalmente podemos ubicar el Punto 3:

Punto 3, salida del evaporador:

  • Tª: 1,57 ºC
  • H.R: 90 %
  • Tª húmeda: 0.92 ºC
  • Tª de rocío: 0,13 ºC
  • Humedad absoluta: 3,79 g/kg a.s
  • Volumen específico: 0,7826 m3/kg a.s
  • Entalpía específica: 11,15 kJ/kg a.s

DT y humedad

Figura 1. Proceso psicrométrico del enfriamiento del aire en el evaporador.

Esto nos indica que, aproximadamente, para una temperatura de evaporación de -3 ºC, y entrando el aire en el evaporador a 5 ºC, el DT es de 8 K, y el equilibrio del funcionamiento del evaporador establecerá la humedad relativa de ese aire de entrada en un 80%. El aire saldrá del evaporador a 1,57 ºC y 90 % H.R, perdiendo 0,52 g de agua por kg de aire seco que circula en su interior. Las condiciones medias dentro de la cámara serán de 3,28 ºC y 85 % HR, características intermedias entre el Punto 2 y 3.

Podemos ahora analizar otra hipótesis de funcionamiento, por ejemplo, disminuyendo la temperatura de evaporación en el evaporador del caso anterior. Si repetimos estos cálculos para una temperatura de evaporación de – 7 ºC, (DT = 12 K), tendremos que la humedad relativa del aire a la entrada del evaporador se establecerá cerca del 72 %, y el aire saldrá del evaporador a 0,38 ºC y 86 % H.R.

También podríamos analizar un caso para un evaporador estático, en el que el aire se enfriara por convección natural. En ese caso, habría que establecer una nueva inclinación para la coil line, en función del tipo de producto, y volver a realizar los cálculos desarrollados para el ejemplo anterior. Si estáis interesados, esto podría ser objeto de otro artículo.

Vamos a resumir las dos hipótesis de funcionamiento que hemos analizado:

RÉGIMEN DE FUNCIONAMIENTO 1:

  • Tª evaporación: -3 ºC
  • DT evaporador: 8 K
  • Caudal evaporador: 7530 m3/h
  • Tª y H.R entrada evaporador: 5 ºC, 80 % H.R
  • Tª y H.R salida evaporador: 1,57 ºC, 90 % H.R
  • Caída temperatura aire: 3,43 K
  • Humedad extraída: 0,52 g/kg a.s
  • Tª y H.R medias en cámara: 3,28 ºC, 85 % H.R

RÉGIMEN DE FUNCIONAMIENTO 2:

  • Tª evaporación: -7 ºC
  • DT evaporador: 12 K
  • Caudal evaporador: 7530 m3/h
  • Tª y H.R entrada evaporador: 5 ºC, 72 % H.R
  • Tª y H.R salida evaporador: 0,38 ºC, 86 % H.R
  • Caída temperatura aire: 4,62 K
  • Humedad extraída: 0,99 g/kg a.s
  • Tª y H.R medias en cámara: 2,69 ºC, 79 % H.R

Se puede ver que mientras más baja es la temperatura de evaporación, mayor es el salto térmico entre el refrigerante y el aire de la cámara, y mayor es la humedad extraída de la misma. Concretamente, podemos ver que para una cámara con aire retornando a 5 ºC, si evaporamos a -3 ºC, extraemos 0,52 g de agua por kg de aire seco, manteniéndose el retorno del aire al evaporador con una humedad relativa del 80 %. Si, en cambio, evaporamos a -7 ºC, extraemos 0,99 g de agua por kg de aire seco (casi el doble que antes), consiguiendo una humedad relativa de 72 % en el retorno.

Todo esto ha sido estudiado en detalle por los fabricantes de evaporadores, y han elaborado unas gráficas para relacionar directamente el DT en el evaporador con la humedad relativa que aproximadamente tendremos en la cámara frigorífica (Figura 2).

DT

Figura 2. Relación entre el salto térmico en el evaporador (DT) y la humedad relativa en la cámara frigorífica.

En la gráfica se establecen dos rectas de trabajo, una para evaporadores ventilados, y otra para evaporadores estáticos, que al tener un caudal de aire menor en circulación, extraen menor humedad de la cámara, y permiten tener un mayor DT en el evaporador sin llegar a resecar demasiado el ambiente.

Pues hasta aquí llega esta entrada, que espero que sirva para comprender un poco mejor como funciona un evaporador desde el punto de vista psicrométrico. Espero vuestros comentarios. ¡Buen comienzo de semana!

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