Acondicionamiento de aire

Módulo de ventilación

El módulo situado en cabeza de cualquier UTA, es siempre un ventilador que mueve un caudal másico de aire ${\displaystyle m}$ tomado del ambiente a tratar, lo hace pasar por todos los módulos instalados en su aspiración y lo impulsa, ya tratado, de nuevo al ambiente.

En aquellas instalaciones en las que existe una amplia red de retorno o en aquellas en las que existe enfriamiento gratuito (free-cooling) del aire, se instalan dos ventiladores; uno en la impulsión y otro en el retorno, que suelen ser del mismo caudal y con una presión disponible correspondiente a la pérdida de carga de la parte de red de distribución a la que abastecen.

Filtrado

La función de filtrado se cumple en el módulo de filtración y en etapas de filtración instaladas en puntos clave de la distribución. Consiste en tratar el aire mediante filtros adecuados a fin de quitarle polvo, impurezas y partículas en suspensión. El grado de filtrado necesario dependerá del tipo de instalación de acondicionamientos a efectuar. Para la limpieza del aire se emplean filtros que normalmente son del tipo mecánico, compuestos por sustancias porosas por las que se obliga a pasar al aire y en las que deja las partículas que lleva en suspensión.

En las instalaciones comunes de confort se usan filtros de poliuretano, lana de vidrio, microfibras sintéticas o metálicas de alambre con tejido de distinta malla de acero o aluminio embebidos en aceite. El filtro es el primer elemento, y muy comúnmente, también el último a instalar en la circulación del aire, porque no solo protege a los locales acondicionados, sino también al mismo equipo de acondicionamiento.

Calentamiento sensible

En el calentamiento sensible, el aire pasa a través del módulo de calefacción, que consiste en una batería por la que circula agua generalmente procedente de una caldera. En el paso, el aire aumenta su temperatura de ${\displaystyle t_{1}\;}$ a ${\displaystyle \;t_{2}}$ y su entalpía sin modificar la humedad específica, de tal forma que a la entrada:

${\displaystyle h_{1}=1005.t_{1}+(2257.10^{3}+1872,3.t_{1})w}$

Y a la salida:

${\displaystyle h_{2}=1005.t_{2}+(2257.10^{3}+1872,3.t_{2})w}$ 

Restando miembro a miembro:

${\displaystyle h_{2}-h_{1}=1005(t_{2}-t_{1})+1872,3.w(t_{2}-t_{1})}$

${\displaystyle h_{2}-h_{1}=(1005+1872,3.w)(t_{2}-t_{1})}$

es la energía térmica recibida por cada kg de aire, para pasar de ${\displaystyle t_{1}\;}$ a ${\displaystyle \;t_{2}}$ . La humedad máxima correspondiente a ${\displaystyle t_{2}}$ habrá aumentado, por lo que su humedad relativa habrá disminuido. La potencia de la batería de calor será el producto de la energía recibida por kg, multiplicada por el caudal másico${\displaystyle {\dot {m}}}$.

${\displaystyle Q={\dot {m}}.(h_{2}-h_{1})}$

En los sistemas con expansión directa, la batería de agua caliente se sustituye por el condensador de una máquina frigorífica o bomba de calor, de forma que es la condensación del refrigerante la que aporta el calor necesario, por intercambio directo con el aire.

Mezcla

En el calentamiento sensible, la disminución de la humedad relativa unida a la recirculación continua de un caudal ${\displaystyle {\dot {m}}}$, sin ningún tipo de renovación, hacen que al cabo de no mucho tiempo, el aire se deteriore, y sobre todo en el acondicionamiento de confort (climatización), que el usuario sienta la sequedad y el enrarecimiento del aire.

Debido a esto, las instalaciones solo calefacción no son las más aconsejables. Una mejora del sistema es incorporar ventilación, es decir, una entrada de una cantidad de aire exterior que diluya la concentración^[3] de contaminantes en el aire.

Si se añade una cantidad de aire exterior, en algún punto se produce una mezcla de dos flujos de aire con diferentes condiciones. El aire nuevo del edificio o aire de ventilación penetra a través de una reja de toma de aire, ubicada en el exterior, en un recinto llamado módulo de mezcla, en él se mezcla el aire nuevo con el aire de retorno de los locales, regulándose sus caudales respectivos mediante persianas de accionamiento manual o automático.

Efectuando un balance de materia y de energía se obtiene:

Por conservación de la masa:

${\displaystyle {\dot {m}}_{1}+{\dot {m}}_{2}={\dot {m}}_{M}\;[kg_{as}/s]}$

Por conservación de cantidad de vapor o balance de agua:

${\displaystyle {\dot {m}}_{1}.w_{1}+{\dot {m}}_{2}.w_{2}={\dot {m}}_{M}.w_{M}}$

Donde ${\displaystyle w}$ es la razón de humedad (kg vapor de agua/kg_as) de las corrientes.

Por conservación de energía:

${\displaystyle {\dot {m}}_{1}.h_{1}+{\dot {m}}_{2}.h_{2}={\dot {m}}_{M}.h_{M}}$

Donde${\displaystyle h}$ es la entalpía en (J/kg_as) de las corrientes.

De estas tres ecuaciones se obtiene:

${\displaystyle w_{M}={\frac {{\dot {m}}_{1}.w_{1}+{\dot {m}}_{2}.w_{2}}{{\dot {m}}_{M}}}\Rightarrow h_{M}={\frac {{\dot {m}}_{1}.h_{1}+{\dot {m}}_{2}.h_{2}}{m_{M}}}}$

También se utiliza con una aproximación bastante buena:

${\displaystyle t_{M}={\frac {{\dot {m}}_{1}.t_{1}+{\dot {m}}_{2}.t_{2}}{{\dot {m}}_{M}}}}$

Enfriamiento sensible

En el enfriamiento sensible, el aire pasa a través del módulo de refrigeración, que consiste en una batería por la que circula agua procedente de una enfriadora. En el paso, el aire disminuye su temperatura de ${\displaystyle t_{1}}$ a ${\displaystyle t_{2}}$ y su entalpía disminuye sin modificar la humedad específica. Para que ocurra el proceso de esta forma, es necesario que la temperatura de la batería, o del agua que circula por ella, esté por encima de la temperatura de rocío correspondiente al estado 1. De no ser así, habrá condensación y por tanto disminución de la humedad específica.

Por lo demás, todo es al contrario que en el calentamiento sensible. La capacidad de absorción de humedad disminuye y por tanto aumenta la humedad relativa.

${\displaystyle Q={\dot {m}}.(h_{2}-h_{1})}$

${\displaystyle Q}$ será negativo , ya que ${\displaystyle h_{1}>h_{2}}$. El signo no tiene más significado que la indicación del sentido del flujo de la energía térmica, que en este caso es extraída en lugar de aportada.

Humidificación sin cambio de temperatura seca

Es la transformación en la que aumenta el contenido de vapor del aire húmedo sin modificar su temperatura seca. Este proceso se consigue con la aportación de una pequeña cantidad de vapor de agua al aire. La cantidad de vapor añadido por cada kg de aire seco será:

${\displaystyle \Delta w=w_{2}-w_{1}}$

y se suele realizar por un generador de vapor. Cuando se añade vapor a temperatura igual o superior a 100 °C, el proceso resultante determina una humidificación y ligero calentamiento del aire. En todo caso, la variación de temperatura seca es muy pequeña por lo que en la práctica se considera como un proceso isotérmico. En este proceso hay una mezcla de dos masas, la del aire ${\displaystyle m_{1}}$ y la del vapor de agua ${\displaystyle m_{v}}$, con lo que la suma de ellos será:

${\displaystyle m_{1}+m_{v}=m_{2}}$

Haciendo un balance de cantidad de agua se tiene que:

${\displaystyle m_{1}.w_{1}+m_{v}=m_{2}.w_{2}}$

Sustituyendo :

${\displaystyle m_{1}.w_{1}+m_{v}=(m_{1}+m_{v})w_{2}\Rightarrow m_{v}-m_{v}.w_{2}=m_{1}.w_{2}-m_{1}.w_{1}\Rightarrow m_{v}.(1-w_{2})=m_{1}(w_{2}-w_{1})}$

Por tanto:

${\displaystyle m_{v}=m_{1}.{\frac {w_{2}-w_{1}}{1-w_{2}}}\;[kg/s]}$

De una manera menos precisa se puede calcular con caudales volumétricos, es decir:

${\displaystyle m_{v}[kg/s]=q[m^{3}/s].1,2[kg/m^{3}].(w_{2}-w_{1})[kg/kg]}$

Deshumidificación sin cambio de Tª seca

Es la transformación inversa a la anterior y se puede realizar con algún tipo de producto desecante o absorbente que elimine la humedad del aire sin variar su temperatura, como gel de sílice.

Enfriamiento y deshumidificación

Cuando se hace pasar una corriente de aire húmedo por una superficie fría que se mantiene a una temperatura inferior a la de rocío del mismo, condensará una parte del agua que contiene y por tanto disminuirá su humedad. En condiciones ideales, el aire abandonaría el sistema con una temperatura seca igual a la temperatura de la batería y con una humedad relativa del 100 %.

La temperatura de rocío de la batería, ${\displaystyle t_{adp}}$, es la temperatura del aire tratado a la salida de la misma y coincide muy aproximadamente con la temperatura del fluido frío que circula por el interior de los tubos, debido a la pequeña resistencia térmica de la pared de los mismos.

De la entalpía que pierde el aire, una parte será calor sensible (disminución de la temperatura seca) y otra parte será calor latente (disminución de vapor de agua).

El calor total eliminado en la batería es el extraído del aire, más el calor que lleva el agua condensada. Este segundo término se desprecia porque suele ser muy pequeño:

${\displaystyle Q_{T}=m_{1}.(h_{2}-h_{1})+m_{a}.h_{a}=m_{1}.(h_{2}-h_{1})+m_{1}(w_{1}-w_{2}).c_{p_{w}}.t_{adp}\approx m_{1}(h_{2}-h_{1})=Q_{S}+Q_{L}}$

Enfriamiento y humidificación adiabática

Un proceso es adiabático cuando se realiza sin intercambio de calor con el medio exterior. Ocurre cuando un flujo de aire atraviesa una cortina de agua. El agua, impulsada por una bomba, se pulveriza en el aire y vaporiza parte de ella, aumentando la humedad específica del aire. Si la cámara fuera lo suficientemente larga el aire saldría saturado. La temperatura del agua deberá ser igual a la temperatura húmeda del aire.

El aire evoluciona manteniéndose constante su temperatura húmeda. Esto implica que el aire sale prácticamente con la misma entalpía que entró, aunque con un mayor contenido de humedad específica. El aire se enfría porque cede el calor necesario para la vaporización del agua que se incorpora al aire como calor latente.

En la práctica las cámaras nunca son tan largas como para que el aire salga completamente saturado, por lo que la humidificación terminará en algún punto antes de llegar a la saturación. Considerando que el aire entra en la cámara en la condición 1 y sale en la 2, la eficiencia de la humidificación será:

${\displaystyle e={\frac {w_{2}-w_{1}}{w_{s}-w_{1}}}={\frac {h_{2}-h_{1}}{h_{s}-h_{1}}}\approx {\frac {t_{2}-t_{1}}{t_{s}-t_{1}}}}$

siendo ${\displaystyle t_{s}}$ la temperatura húmeda del aire e igual a la temperatura del agua y ${\displaystyle w_{s}}$ y ${\displaystyle h_{s}}$, las condiciones en la saturación.

Esta ecuación proporciona las condiciones de salida del aire a su paso a través de una cortina de agua que se encuentra a una temperatura ${\displaystyle t_{s}}$ y tiene una eficiencia ${\displaystyle e}$.

La humidificación de una corriente de aire mediante agua líquida pulverizada se consigue con los módulos llamados lavadores. También se consigue aunque con menos eficiencia, mediante un módulo con un panel adiabático.