Tratamiento de aire húmedo

Acondicionamiento del aire húmedo

El tratamiento y acondicionamiento del aire húmedo está presente en gran parte de procesos de climatización y en el confort de nuestros hogares.

El dominio de sus propiedades termodinámicas y del equilibro bifásico aire-agua es una disciplina básica para los profesionales del sector.

Para evaluar el efecto termodinámico de estos tratamientos sobre el aire húmedo se utiliza el diagrama psicométrico. En este gráfico se enfrenta la humedad específica y la temperatura del aire (bulbo seco).

Diagrama Mollier

Quedan representados, sobre el diagrama psicométrico de Carrier, todas las posibles técnicas básicas para el acondicionamiento del aire.

  • Vertical 0->1: humidificación del aire
  • Tramo 0->2: humidificación con calentamiento
  • Horizontal 0->3: calentamiento del aire
  • Segmento 0->4: deshumectación con calentamiento
  • Vertical 0->5: deshumectación
  • Segmento 0->6: deshumectación con enfriamiento
  • Horizontal 0->7: enfriamiento del aire
  • Recta 0->8:  humidificación con enfriamiento

Otra variante gráfica, aunque menos popular, es el diagrama de Mollier. Es necesario justar los valores termodinámicos del diagrama a la temperatura y altura (o presión) de la instalación objeto.

Existen muchas herramientas disponibles que facilitan el cálculo de los valores y propiedades del aire, entre las cuales se destaca EES (Engineering Equation Solver) o SICRO de Atecyr.

Se contemplan dos tipos de carga térmica del aire, calor latente (cambia varía la humedad específica del aire para una misma Temperatura), y el calor sensible (en las que sólo varía la temperatura del aire seco).

Es común el uso del factor de calor sensible, SHF, como indicador de utilidad en cálculos de acondicionamiento de aire. Se define como la relación entre el calor sensible y el calor total del espacio a condicionar.

Procesos básicos de tratamiento del aire húmedo

En este apartado se describen algunos procesos básicos que se presentan de forma combinada en unidades de tratamiento de aire (UTA). De forma conjunta se incorporan otros sistemas de refrigeración requeridos para la deshumectación  (p.e: sistemas hidrónicos ó de expansión directa).

1. Acondicionamiento del aire mediante calentamiento / enfriamiento adiabático:

Uno de los procesos básicos más comunes es el calentamiento o enfriamiento adiabático utilizados, por ejemplo, para ajustar la temperatura del aire.

Esta técnica se utiliza para la recuperación el calor residual del aire de mediante intercambiadores rotativos.

Tratamiento y acondicionamiento del aire

Se realiza un balance energético del proceso. La transferencia de calor es directamente proporcional al gradiente de temperatura del aire:

\dot{q} = \dot{m_{a}}\cdot c_{p}\cdot \Delta t

Nótese que ma el flujo másico de aire húmedo y cp su calor específico.

2. Enfriamiento y deshumectación:

Una de las técnicas de reducción de la humedad en el aire más populares es el enfriamiento mediante un circuito refrigerante que produce la condensación del agua.

Tratamiento y acondicionamiento del aire

Esta técnica se caracteriza por los siguientes balances de masa y energía, respectivamente:

\dot{m_{a}}\cdot W_{1}=\dot{m_{w}}+\dot{m_{a}}\cdot W_{2}

\dot{m_{a}}\cdot h_{1}=\dot{q}+\dot{m_{a}}\cdot h_{2}+\dot{m_{w}}\cdot h_{w}

Con el siguiente resultado al combinar ambas ecuaciones:

\dot{q}=\dot{m_{a}}\cdot (h_{1}- h_{2})-\dot{m_{a}}\cdot h_{w}\cdot (W_{1}-W_{2})

La transformación del calor sensible queda representada por el segmento 2-3 (véase gráfico). Por su parte, el calor latente es consecuencia de la pérdida de humedad representada por el segmento 1-3.

3. Calentamiento y humidificación:

El proceso contrario al anterior, consiste en la humidificación del aire calentándolo en primera instancia y, en una segunda etapa, incorporando la humedad mediante la vaporización de agua.

Tratamiento y acondicionamiento del aire

En balance de masa resultante en este proceso es:

\dot{m_{a}}\cdot W_{1} + \dot{m_{w}}=\dot{m_{a}}\cdot W_{2}

Por su parte, el balance energético del aire saliente:

\dot{m_{a}}\cdot h_{1}+\dot{q}+\dot{m_{w}}\cdot h_{w}= \dot{m_{a}}\cdot h_{2}

Y la combinación de ambos balances de masa y energía:

\frac{h_{2}-h_{1}}{W_{2}-W_{1}}=\frac{\dot{q}}{\dot{m_{w}}}+h_{w}

4. Humidificación adiabática:

En este caso se acompaña el proceso de humidificación adiabática mediante la incorporación en el flujo de aire de agua fría (2b), o bien, con vapor saturado (2a) para aumentar la temperatura del aire.

Tratamiento y acondicionamiento del aire

El balance resultante es:

\frac{h_{_{2}}-h_{1}}{W_{_{2}}-W_{1}}=h_{w}=\frac{\Delta h}{\Delta W}

5. Mezcla adiabática de dos caudales de aire húmedo:

En esta técnica se realiza la mezcla de dos corrientes de aire húmedo, con diferentes condiciones termodinámicas.

Técnicas de acondicionamiento de aire

Las ecuaciones para el cálculo de las propiedades termodinámicas del aire de salida son:

Balances de masa para el aire y el agua, respectivamente:

\dot{m_{a1}}+\dot{m_{a2}}=\dot{m_{a3}}

\dot{m_{a1}}\cdot W_{1}+\dot{m_{a2}}\cdot W_{2}=\dot{m_{a3}}\cdot W_{3}

El balance energético resultante:

\frac{h_{2}-h_{_{3}}}{h_{3}-h_{1}}=\frac{W_{2}-W_{3}}{W_{_{3}}-W_{1}}=\frac{\dot{m_{a1}}}{\dot{m_{a2}}}= \frac{\bar{32}}{\bar{13}}

Las relaciones que resultan de combinar ambas ecuaciones que muestran que una relación entre los flujos másicos de mezcla y el tamaño de los segmentos que delimitan los estados del aire.

Equipos de tratamiento de aire

Los equipos en donde se realizan los tratamientos de aire necesarios se denominan UTA, y normalmente se encuentran ubicados en las azoteas de los edificios si éstas son de gran capacidad.

Estos equipos cuentan con dos potentes ventiladores para extraer el aire viciado del edificio (renovaciones) y otro para impulsar el aire del exterior. En las cuatro entradas se disponen de filtros de aire que se hacen indispensables para una adecuado mantenimiento.

Los flujos de aire de retorno y de renovación son en contracorriente y atraviesan diferentes cavidades en donde se desarrollan algunos de los procesos de tratamiento.

Adicionalmente, para la climatización del aire se emplean equipos auxiliares como, por ejemplo, una bomba de calor. También se hace necesario la conexión de bombas de agua para la alimentación y/o purga.

En esta imagen se representa el corte de uno de estos equipos de alta eficiencia con recuperador de calor correspondiente al fabricante Menerga:

Unidad Tratamiento aire piscina cubierta

A continuación, se muestran diferentes variantes de funcionamiento del equipo UTA para diferentes modos de operación atendiendo a las condiciones ambientales exteriores. Además, se ilustran los diferentes flujos de aire húmedo y su tratamiento:

Modo de funcionamientoDescripciónDiagrama de flujo
En inviernoSe recircula en el recuperador el 100% del caudal aprovechando hasta el 80%. La batería de agua caliente cubre las pérdidas por ventilación y transmisión del edificio.Acondicionamiento del aire con UTA
Desescarche (heladas)Se conduce el aire caliente de retorno a la zona con riesgo de formación de hielo.UTA
Clima moderadoLa demanda de recuperación de calor se reduce conforme aumentan las temperaturas, por lo que se regula el bypass según la temperatura de impulsión.UTA
En veranoEl recuperador opera en modo recuperación de frío cuando la temperatura exterior es más alta que la de retorno, reduciendo la carga de ventilación.UTA
Enfriamiento adiabáticoEnfriamiento evaporativo adiabático sin modicación de su humedad absoluta.UTA
Adiabático con deshumectación aire exteriorAdicionalmente al enfriamiento adiabático, se realiza un preenfriamiento del aire de retorno con agua para reducir la temperatura del bulbo húmedo.UTA
Enfriamiento con compresión mecánicaSe arrancan las enfriadoras en caso de demanda frigorífica y altas temperaturas exteriores para enfriar y deshumectar el aire de impulsión.UTA
Recirculación con calentamientoEn este modo de operación no se incorpora aire exterior y el 100% del aire se recircula pasándolo por una batería de agua caliente.UTA
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