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Humidificación adiabática

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¡Saludos a todos los técnicos del sector!

En este artículo vamos a ver los principios de funcionamiento de los humidificadores adiabáticos, también conocidos como enfriadores evaporativos, ya que además de humidificar el aire consiguen enfriarlo simultáneamente. Si no deseamos enfriar el aire, y solo humidificarlo, serán más interesantes los humidificadores isotérmicos, que estudiaremos en un próximo artículo.

1. FUNCIONAMIENTO DE LA HUMIDIFICACIÓN ADIABÁTICA

Si ponemos en contacto agua pulverizada o materiales húmedos en contacto con al aire, obtenemos lo que se conoce como humidificación adiabática, en la cual el aire absorberá esa agua que se transformará en vapor. Dicho proceso de humectación se producirá manteniéndose la entalpía del aire prácticamente constante. Esto significa que el aire se va a enfriar perdiendo calor sensible, pero simultáneamente va a ganar calor latente debido a la humedad absorbida.

Podemos analizar este proceso en el diagrama psicrométrico. Recomiendo emplear el software SICRO de ATECYR, que permite simular diferentes procesos psicrométricos del aire de forma muy sencilla. En la Figura 1 se muestra la trayectoria que debería seguir el aire que se humecta adiabáticamente.

Figura 1. Proceso de humidificación adiabática en el diagrama psicrométrico.

La temperatura seca del aire a la salida será menor que a la entrada, pero la temperatura húmeda será la misma. Por otra parte, la entalpía a la entrada y la salida también será prácticamente idéntica, a pesar de que hay un leve aumento que, a efectos prácticos, puede considerarse despreciable.

Si empleamos estos equipos adiabáticos con la finalidad de enfriar el aire, conseguiremos un gran ahorro energético en comparación con los equipos de refrigeración por compresión.

No obstante hay que tener precaución en su empleo, ya que no son aptos para cualquier aplicación. Como hemos comentado anteriormente, estos sistemas enfrían el aire a costa de aumentar su humedad relativa, por lo que en muchos casos las condiciones de confort no son adecuadas, dando una sensación de “bochorno”. Hay que destacar que el RITE establece una humedad relativa máxima del 60 % en los recintos climatizados, y con los sistemas evaporativos casi siempre estaremos por encima de ese valor.

Vamos a ver con un ejemplo cómo funciona la humidificación adiabática.

EJEMPLO

En un equipo evaporativo adiabático se hace circular una corriente de aire de 3.000 m3/h a 35 ºC y 30 % H.R por un panel humectado. Si el aire sale de la máquina a 25 ºC, calcular el caudal de agua aportado, la potencia de enfriamiento sensible, así como la humedad relativa del aire a la salida.

Figura 2. Esquema de funcionamiento del equipo evaporativo.

Solución:

En primer lugar ubicamos el punto de entrada (1) en el diagrama psicrométrico:

  • Temperatura seca: Ts1 = 35 ºC
  • Humedad relativa: H.R1 = 30 %
  • Temperatura húmeda: Th1 = 21,5 ºC
  • Humedad absoluta: w1 = 10,5 g w/kg as
  • Volumen específico: v1 = 0,8877 m3/kg as
  • Entalpía específica: h1 = 62,3 kJ/kg as

El proceso de humectación se realizará con una temperatura húmeda constante de 21,5 ºC, por lo que sabemos que el punto de salida (2) tendrá una temperatura seca de 25 ºC y una temperatura húmeda de 21,5 ºC. Podemos ubicarlo en el diagrama:

  • Temperatura seca: Ts2 = 25 ºC
  • Humedad relativa: H.R2 = 74 %
  • Temperatura húmeda: Th2 = 21,5 ºC
  • Humedad absoluta: w2 = 14,7 g w/kg as
  • Volumen específico: v2 = 0,8646 m3/kg as
  • Entalpía específica: h2 = 62,6 kJ/kg as

Se puede ver que las entalpías h1 y h2 son prácticamente idénticas, por lo que podemos considerar el proceso prácticamente adiabático.

Por otra parte podemos calcular el caudal másico de aire que circula a través del equipo:

Siendo:

(kg as/s), el caudal másico de aire seco que circula a través del equipo.

(m3/s), el caudal volumétrico del aire a la entrada del equipo.

(m3/kg as), el volumen específico del aire a la entrada del equipo.

Ya podemos calcular el caudal de agua aportado:

La potencia de enfriamiento sensible que extraemos del aire se calcula así:

Siendo:

(kW), la potencia de enfriamiento sensible.

(kJ/kg ºC), el calor específico del aire seco.

(ºC), la temperatura del aire a la entrada del equipo.

(ºC), la temperatura del aire a la salida del equipo.

Es importante darnos cuenta de que aunque estamos enfriando el aire con una potencia de 9,4 kW, simultáneamente también le estamos añadiendo una potencia térmica latente equivalente en forma de humedad, por lo que realmente no estamos quitando energía al aire, solo estamos cambiando energía sensible por latente.

En la Figura 3 vemos la representación gráfica del proceso de humectación en el diagrama psicrométrico. Aparecen el punto de entrada en el equipo (1) y el punto de salida (2), así como el punto que alcanzaría el aire si se humectara al 100 % de humedad relativa (2b):

Ts2b = 21,5 ºC

H.R2b = 100 %

w2b = 16,2 g w/kg as

Figura 3. Representación del proceso de humectación en el equipo evaporativo.

El punto 2b no es alcanzable, ya que los sistemas de humectación tienen una cierta eficiencia, que suele oscilar entre el 70 y el 85 %. En nuestro caso podemos calcular la eficiencia de humectación a partir de las humedades absolutas de los puntos 1, 2 y 2b:

La eficiencia del humidificador será por tanto del 74 %.

2. HUMIDIFICADORES ADIABÁTICOS COMERCIALES

Ya que conocemos los principios psicrométricos en los que se basan los humidificadores adiabáticos, vamos a ver qué opciones comerciales disponemos en el mercado. Para ello vamos a consultar el catálogo de Pecomark, donde podemos ver algunos sistemas de humidificación adiabática:

  • Centrífugos
  • Evaporativos
  • Ultrasonidos
  • Alta presión
  • Agua y aire comprimido

Los humidificadores centrífugos producen agua nebulizada mediante la proyección de un chorro de agua líquida sobre un disco que gira a gran velocidad (Figura 4). El impacto del agua sobre el disco provoca la dispersión de microgotas que son lanzadas por la fuerza centrífuga hacia el aire, donde se produce finalmente la evaporación del agua.

Son humidificadores robustos y de fácil mantenimiento, con un bajo consumo energético. Es suficiente alimentarlos con agua de red a 0,5 bar de presión y preferentemente filtrada, aunque son sistemas en los que la presencia de cal en el agua no presenta especiales problemas.

Figura 4. Humidificador centrífugo Modelo UX-56M.

En otra categoría tenemos los humidificadores evaporativos, que hacen pasar una corriente de aire a través de un panel de celulosa que se mantiene continuamente humectada mediante agua bombeada desde un depósito (Figura 5). La humidificación del aire es muy uniforme, sin lanzamiento de gotas al ambiente y evitando así depósitos de cal en el recinto tratado.

Es posible solicitar al fabricante modelos sin agua recirculada, trabajando directamente en conexión con el agua de red y aportando una seguridad adicional para controlar la legionelosis.

Figura 5. Humidificador evaporativo COOLBREEZE QA160 D.

Otros equipos disponibles son los humidificadores de ultrasonidos (Figura 6). Constan de una avanzada tecnología mediante la cual un transductor piezoeléctrico sumergido en un depósito de agua produce vibraciones de muy alta frecuencia que generan gotas de agua micrométricas (< 0,001 mm) que se evaporan rápidamente al ambiente con ayuda de un ventilador.

Figura 6. Humidificador ultrasónico CAREL UU1FDA001.

Estos equipos requieren que el agua sea tratada previamente para garantizar su buen funcionamiento. No obstante, estos requisitos de calidad del agua redundarán también en menores operaciones de mantenimiento y en una calidad higiénica superior del aire tratado.

Pasamos a analizar los humidificadores de agua a presión, también conocidos como nebulizadores o atomizadores (Figura 7). Se basan en la pulverización de microgotas de agua a presión a través de unas boquillas con ayuda de una bomba. Un ventilador se encarga de la evaporación de las minúsculas gotas en el ambiente.

Son sistemas de gran capacidad de humectación, muy empleados en grandes recintos e industrias.

Al igual que los sistemas de ultrasonidos, en estos equipos también que se necesita que el agua esté filtrada y descalcificada para evitar la obstrucción de las boquillas. Adicionalmente los fabricantes recomiendan el tratamiento del agua por ósmosis.

Figura 7. Humidificador de alta presión Humifog de CAREL.

Finalmente disponemos de los humidificadores de agua y aire comprimido, que utilizan aire a presión para atomizar el agua en gotas muy finas (Figura 8).

Figura 8. Humidificador de agua y are comprimido MC CAREL.

Estos sistemas se emplean habitualmente en el ámbito industrial, donde se suele disponer de una red de aire comprimido a la que conectar el equipo. Se pueden alcanzar grandes capacidades de humectación del aire.

Al igual que hemos visto con otros sistemas, se hace imprescindible trabajar con agua tratada de alta calidad para garantizar el buen funcionamiento y durabilidad de la máquina.

Como conclusión final, podemos destacar la gran variedad de sistemas de humidificación adiabática disponibles en el mercado, que permitirán al técnico encontrar la solución más adecuada a las necesidades de su cliente, ya sea en el ámbito residencial, comercial o industrial, con capacidades de humectación desde menos de 1 L/h hasta más de 200 L/h.

Finalizamos aquí el artículo, esperando que haya sido de vuestro interés. Agradecemos vuestra participación en los comentarios.

¡Un saludo!

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