En este artículo vamos a ver cómo la utilización de la condensación evaporativa repercute en una mejora del rendimiento de las instalaciones de refrigeración industrial y, por tanto, al ahorro energético y económico.
¿Cómo funciona la condensación evaporativa?
Tal como hemos visto en anteriores artículos, el rendimiento de un ciclo frigorífico depende en gran medida de las presiones de evaporación y condensación. Cuanto menor sea la diferencia entre las dos, mayor será el rendimiento. O dicho de otra forma, si la temperatura de evaporación aumenta y/o la de condensación disminuye, el rendimiento aumenta.
Esto se puede ver de forma clara en la fórmula del rendimiento máximo (EER o COP de refrigeración) del ciclo invertido de Carnot, sabiendo que la presión de saturación es proporcional a la temperatura de saturación:
Y en el caso de un sistema de refrigeración real, el rendimiento COP o EER de un sistema frigorífico es el cociente entre la potencia frigorífica y la potencia eléctrica.
Al disminuir la temperatura de condensación de un circuito frigorífico, la presión de condensación del refrigerante también disminuye. Como consecuencia de esto, la potencia eléctrica del compresor requerida es menor, ya que la diferencia de presiones es menor en el compresor, y por lo tanto es necesario menos potencia para lograr ese salto de presión.
Al disminuir la potencia eléctrica necesaria en el compresor, el rendimiento aumenta y, por lo tanto, se logrará una mejora de la eficiencia energética.
Es posible controlar la presión de evaporación cambiando la capacidad del compresor, y la presión de condensación se puede controlar con la velocidad de los ventiladores del condensador.
En el caso de los condensadores secos, la temperatura límite es la temperatura del aire exterior. Sin embargo, utilizando condensadores húmedos o torres de refrigeración, es posible bajar de ese límite, utilizando la psicrometría en nuestro favor.
Si una corriente de aire seco se pone en contacto con una corriente de agua, el aire tenderá a absorber parte del agua hasta alcanzar el equilibrio. Para que el aire pueda se humidifique, una parte del agua líquida debe pasar a estado vapor, lo cual un aumento de entalpía de esa agua. Esta energía para evaporarse, se obtiene del agua circundante, lo cual hace que disminuya la temperatura de dicha agua.
Una vez que el aire ya está saturado de humedad, no puede absorber más agua y sólo podrá intercambiar calor sensible en el caso de que exista una diferencia de temperaturas entre ambos fluidos.
El límite hasta que es posible enfriar el agua es la temperatura de saturación adiabática o temperatura de bulbo húmedo del aire seco a la entrada. En el diagrama obtenemos está temperatura moviéndonos por la línea de enfriamiento adiabático desde el punto del aire seco hasta la línea de humedad al 100%.
Como el calor latente de evaporación es mucho mayor que el calor sensible, evaporando una pequeña cantidad de agua, es posible disminuir la temperatura del resto del agua en varios grados. Por ejemplo, 1 gramo de agua evaporada permite enfriar 1 kg de agua aproximadamente 2,5ºC por debajo de su temperatura de entrada.
Una curiosidad es que es posible enfriar agua con un aire más caliente que dicho agua, ya que para alcanzar el equilibrio el aire tiende a humidificarse, produciéndose el efecto de enfriamiento evaporativo descrito, y llegando como mucho a la temperatura de bulbo húmedo, que es menor que la temperatura del aire seco a la entrada.
Tipos de torres de refrigeración
Aunque existen varias clasificaciones, de forma general podemos distinguir entre dos tipos de torres de refrigeración, que son las que utilizan un enfriamiento evaporativo:
En las torres abiertas, se utiliza agua como fluido refrigerante del proceso y posteriormente se refrigera mediante enfriamiento evaporativo en una torre separada del proceso o del condensador.
El agua entra por la parte superior de la torre y con la ayuda de unos pulverizadores se consigue dispersar el agua en pequeñas partículas. Por otro lado, unos ventiladores consiguen generar un tiro forzado o inducido del aire que entra por la parte inferior, en contracorriente con las gotas de agua pulverizadas que caen. De esta forma conseguimos saturar el aire al 100% de humedad relativa, y por consiguiente, la temperatura del aire se reducirá hasta la temperatura de bulbo húmedo.
En la parte inferior de la torre hay una bandeja con una salida de purga, para evitar que aumente demasiado la concentración de sales del agua que pueda producir incrustaciones en el sistema. Además, es necesario una entrada de agua nueva para reponer el agua que se evapora y el agua de la purga.
La principal ventaja de estos sistemas es que se utiliza el agua como fluido de intercambio y puedes colocar la torre muy lejos de la central de frío sin necesidad de tener un circuito de refrigerante.
Sin embargo, hay que tener en cuenta el consumo de bombeo, los tratamientos antilegionella en el circuito de agua y las incrustaciones en los intercambiadores de calor.
En estos condensadores la evaporación del agua y el enfriamiento del refrigerante suceden en la misma torre.
Estos condensadores cuentan con una balsa de agua en el fondo del condensador, cuya agua será bombeada a la parte superior y se comporta de forma análoga que las torres de refrigeración, pero con el condensador del refrigerante en medio de la torre.
La ventaja de estos sistemas es que el agua se encuentra en un circuito cerrado en la propia torre, es necesario un menor flujo de aire y es un equipo más compacto con una inversión más reducida que las torres abiertas. Además, estos condensadores son más eficientes energéticamente y reducen el riesgo de legionella al tener un circuito de agua más pequeño. Por estas razones, son los equipos más utilizados en refrigeración industrial actualmente, sobre todo en climas secos y cálidos.
Ahorros energéticos
En zonas geográficas donde el aire ambiente está caliente y seco, se puede obtener un ahorro muy importante al usar la condensación evaporativa respecto a condensación seca, ya que la diferencia entre la temperatura de bulbo húmedo y la de bulbo seco es bastante alta y nos permite reducir la presión de condensación.
Un aspecto a tener en cuenta cuando se utiliza la condensación evaporativa, es el coste del bombeo de agua, por lo que se recomienda regular el caudal para alcanzar la presión óptima de funcionamiento para minimizar el coste.
CONCLUSIÓN: La utilización de la condensación evaporativa es repercute en una mejora del rendimiento de nuestra instalación y en un ahorro económico importante. Con este sistema, es posible reducir la temperatura de condensación hasta 10ºC menos, y una reducción del consumo hasta del 45-50% en algunos casos.
De forma aproximada, por cada grado que disminuye la temperatura de condensación, esto implica un ahorro energético del 2-3%.