Utilización de las ruedas desecantes, entálpicas y sensibles
en el tratamiento del aire.
«Ing. Tania Carbonell Morales, Ing. Leonart López Alen
y Dr. Ing. Guillermo Quesada Ramos
Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER),
del Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría.»
Resumen
El desarrollo y crecimiento de nuestra economía trae consigo una necesidad creciente de la capacidad de almacenaje, conservación de los productos con mayor calidad y una mayor calidad en la producción de frío. En hospitales, centros biotecnológicos y en la industria farmacéutica se requieren calidades de aire muy específicas y un control absoluto de la humedad relativa, pues se trabaja con materiales higroscópicos; además, en la industria del plástico y en nuestra industria turística, donde se requiere estabilizar los parámetros de confort, es de vital importancia el tratamiento del aire.
El control de la humedad del aire a presión atmosférica generalmente se realiza por enfriamiento, para hacer condensar el vapor de agua o poniendo en contacto el aire con una sustancia desecante.
En este trabajo se muestra la tecnología de las ruedas como una tecnología exitosa en el tratamiento del aire, para la producción de aire seco y/o el control de humedad; se detalla el principio de funcionamiento y las posibles aplicaciones de las ruedas entálpicas, sensibles y desecantes en sectores importantes de la economía cubana.
Introducción
El aire no es más que una mezcla de gases y a la mayoría de las personas les son familiares sus principales componentes, el nitrógeno y el oxígeno; solo cuando el aire se vuelve cálido y pegajoso nos damos cuenta de que existe además otro componente en la mezcla, el vapor de agua o la humedad.
La necesidad de controlar la humedad del ambiente se extiende mucho más allá de la necesidad del confort humano, siendo dicho control un factor indispensable en muchas industrias, procesos de manufactura, almacenamiento, transporte y preservación de gran variedad de productos.
El control de la humedad del aire puede lograrse con la eliminación o la incorporación de agua. El proceso de eliminación del vapor de agua presente en el aire se conoce como deshumidificación. La tecnología de la deshumidificación tiene sus orígenes en la primera parte del siglo XX; en1939 fue apareciendo como un factor importante en la protección de las cargas de los buques, lo que evitaba los daños por humedad durante el transporte y almacenamiento de las mercancías durante la Segunda Guerra Mundial. En las acciones militares en zonas tropicales se demostró la necesidad de deshumidificar para conservar y proteger las armas, materiales sensibles a la humedad y las propias embarcaciones; a partir de 1940 apareció una amplia gama de aplicaciones para los equipos deshumidificadores, como en las industrias del plástico, de producción y conservación de alimentos, farmacéutica, electrónica y en el almacenamiento de productos higroscópicos. Actualmente la tecnología de la deshumidificación es reconocida como un componente esencial para asegurar el ahorro de energía y la productividad.
La tecnología de deshumidificación por desecante
Una de las formas de eliminar la humedad del aire es presentando el mismo a una sustancia desecante. Los desecantes son sustancias que tienen una gran afinidad por el agua, propiedad que les permite atrapar la humedad del aire circundante. Existen desecantes sólidos y líquidos, lo que los diferencia desde el punto de vista funcional y los clasifica en absorbentes (líquidos) y adsorbentes (sólidos). Comercialmente los más utilizados en estos momentos son la zeolita, la silica gel y el cloruro de litio.
Existen básicamente cuatro tipos de deshumidificadores desecantes: líquido absorbente, torre empacada adsorbente, cama rotatoria adsorbente y rueda desecante; en este último centraremos nuestra atención.
¿Qué es una rueda desecante?
La mayoría de las ruedas desecantes son hechas de silicagel o zeolita (tamiz molecular), unido a un substrato de fibras de vidrio, papel o algunas veces aluminio. Cuando se mira desde el aire la rueda asume la apariencia de un fino y enredado material de panal de abejas (HoneyCombe) con muchos canales pequeños; esta estructura se caracteriza por ser ligera, durable y garantiza gran superficie de contacto entre el desecante y el aire. En la figura 1 se muestran las configuraciones más usadas.
Fig. 1. Configuraciones típicas.
Los canales, como las aletas de una espiral, fuerzan la trayectoria del aire a lo largo del desecante concentrado. El desecante produce una atracción de las moléculas del aire a través de las microporosidades, basada esencialmente en el tamaño de los poros. De esta manera, el silica gel y el tamiz molecular atraen mecánicamente el agua como una esponja.
La rueda gira lentamente entre los flujos de proceso y reactivación. El aire de proceso fluye entre los canales formados y el desecante impregnado en la estructura va adsorbiendo la humedad del aire hasta que se satura, lo que aumenta la presión de vapor de su superficie. Cuando la rueda entra en el sector de reactivación, el desecante es calentado por el flujo de aire de reactivación, y se elimina la humedad en este. Una vez terminada la etapa de reactivación, el desecante caliente vuelve a la zona de proceso, donde se enfría al ponerse en contacto con una pequeña porción de aire de proceso; así queda listo para volver a adsorber humedad.
Este principio de funcionamiento se ilustra en el esquema de la figura 2.
Fig. 2. Principio de funcionamiento de un deshumidificador desecante rotatorio o rueda desecante.
En una aplicación general, 75 % de la rueda hace contacto con el aire, mientras el otro 25 % forma parte de la cámara de regeneración (3:1), aunque esta relación varía cuando existen ruedas de 50/50 o media luna.
Las ruedas desecantes, por naturaleza, eliminan humedad (calor latente) del aire exterior o carga interna. Estas no reducen, por sí solas, la carga de energía. Simplemente reemplazan la carga latente (humedad) con un incremento de carga sensible (temperatura) y eliminan la humedad del aire.
Aplicaciones de las ruedas desecantes
Las aplicaciones para las ruedas desecantes son excepcionalmente diversas debido a que estos equipos tienen un impacto muy positivo en la mayoría de los procesos, y siempre que se desee reducir cargas de humedad interna, mantener o bajar la humedad relativa específica o el punto de rocío y procesar altas cargas latentes del aire exterior, esta tecnología será muy factible, ya que muchas veces más de uno de estos propósitos pueden ser realizados por la misma rueda.
Comercialmente los sistemas desecantes son más comunes en aplicaciones de supermercados y cámaras de conservación y congelados. Las espirales refrigeradas de los supermercados y las cajas congeladoras tienen bajo punto de rocío. Cuando la humedad del aire entra en contacto con las cajas refrigeradas, el bajo punto de rocío hace que se produzca la condensación. Esta crea serios problemas en los supermercados. La escarcha y el hielo formado en las espirales, disminuye la eficiencia energética y provoca un ciclo de descongelación en el sistema de refrigeración, e incrementa la energía que se debe consumir en funcionamiento y recuperación. La condensación y el hielo formado en cajas, puertas y productos también reducen el potencial de los productos.
Los supermercados usan sistemas desecantes controlados para mantener la humedad relativa entre 40-45 %. La falta de humedad reduce el número de ciclos de descongelación, mientras mantiene el estado de los productos y los equipos. Algunos supermercados han usado el control de la humedad que provee la rueda desecante, incluso para aumentar las temperaturas alrededor de las cajas congeladoras y así proporcionar un ambiente más confortable para sus clientes.
En los últimos años, con el desarrollo de esta tecnología, los sistemas desecantes han estado funcionando como procesadores de aire exterior. Recientes cambios en los códigos han incrementado la cantidad de aire exterior que es requerida en edificios públicos. Las habitaciones y los salones de conferencias de hoteles, moteles o centros de convenciones, tienen grandes variaciones de carga sensible, ya que la gente va y viene y aquella cambia radicalmente. La carga latente, por otra parte, es más estable debido a que constantemente hace ingresar aire fresco al edificio, y trae consigo el vapor de agua. Convencionalmente los sistemas de aire acondicionado controlan tan rápido la temperatura que al parar dan tiempo a la formación de condensados en las paredes y objetos, causan malos olores y dañan los muebles y la estructura del edificio. Ante esta situación, la combinación de estas dos tecnologías, la convencional y la deshumidificación por desecante, se presenta como una variante técnico-económica muy factible. En instalaciones como quirófanos y cuartos limpios esta tecnología se está introduciendo con buenos resultados.
Intercambiadores de calor rotatorios o ruedas sensibles
No son más que intercambiadores de calor en forma de rueda que se pueden utilizar en cualquier aplicación, siempre que se requiera un intercambio térmico y, como su nombre lo indica, sólo eliminan calor sensible, es decir, temperatura del aire; mantienen la humedad constante y obtienen un máximo de eficiencia cuando la diferencia de temperatura entre las corrientes de suministro y de escape es la mayor posible.
Se comercializan como un intercambiador de calor aire-aire o como partes integradas de un sistema de tratamiento de aire más grande, donde se puede encontrar combinada con ruedas desecantes o entálpicas.
Esta tecnología proporciona un efectivo ahorro de energía; gracias a su utilización se queman anualmente en Europa cuatro millones de toneladas menos de combustible y participa activamente en la protección del medio ambiente mediante la reducción de emisiones gaseosas y de polvo de las instalaciones de calefacción y climatización.
El proceso de intercambio de calor en las ruedas sensibles se produce entre dos caudales de aire separados (suministro y escape), dispuestos a contracorriente, y mediante una masa acumuladora en rotación que por lo general está constituida por una aleación de aluminio, de 0,1 mm de espesor, resistente al ambiente salino.
Entre las aplicaciones de este tipo de rueda podemos encontrar instalaciones de aire acondicionado sencillas, sin humedad y sin refrigeración; cocinas, pabellones industriales, gimnasios, etcétera.
Ruedas entálpicas
La rueda entálpica es una combinación de estrategias sensible y latente en la misma rueda.
Desde el punto de vista del funcionamiento, las ruedas entálpicas también necesitan dos corrientes de aire y requieren de una corriente de aire de descarga. También, mientras mayor sea la diferencia de humedad y temperatura de las dos corrientes de aire, mayor trabajo realiza la rueda; en función de esto se hallará su eficiencia, que ronda alrededor de 70 a 90 %.
Su apariencia física es muy similar a la de una rueda sensible. Al material de la masa acumuladora (aleación de aluminio) se le impregna un desecante, el cual crea una película higroscópica encargada de deshumidificar el aire cuando entra en contacto con él.
La rueda entálpica puede ser aplicada para las mismas condiciones que la sensible, así como para otras que requieran un mayor control de la humedad.
Las diferencias de costos entre las dos no son significativas y los desempeños son casi idénticos, excepto la capacidad de la entálpica para controlar las cargas de humedad.
La realidad es que el uso de la rueda entálpica ha crecido, pero no se ha extendido. Hoy en día en los mercados la rueda entálpica está limitada por los sistemas de rueda desecante, especialidades industriales y algunas unidades de procesamiento de aire.
Uso y aplicación en Cuba
En Cuba, en la industria del turismo comienza a ser una necesidad el control de la humedad para garantizar el confort humano y la calidad en los servicios, presentándose la tecnología de rueda desecante como una variante económicamente atractiva para controlar este parámetro, además de que su utilización puede llevar a mejorar la economía energética de esta industria.
La conservación y calidad de los alimentos es uno de los aspectos que se deben tener en cuenta, pues desempeñan un papel muy importante en la competitividad de nuestro mercado turístico, principal fuente de ingresos en divisas del país. Es por eso que las cámaras de conservación y congelados y las redes de supermercados son otros campos de aplicación factible para nuestra economía.
En la industria farmacéutica y en los denominados cuartos limpios de los centros de investigación es atractivo estudiar la factibilidad técnica-económica de su aplicación. Recientemente se han dado los primeros pasos en La Habana, y se han realizado estudios en una planta de producción de medicamentos con el objetivo de analizar la factibilidad técnica de instalar una rueda desecante en combinación con un sistema convencional de enfriamiento, para lograr una buena climatización del lugar con un preciso control de la humedad.
En estos momentos, teniendo en cuenta el amplio programa actual de ahorro energético, sería interesante estudiar la posibilidad de aplicación en instalaciones de ventilación de cocinas y en edificios industriales, debido a su fácil instalación y posibilidad de limpieza de forma manual o automática con vapor o disolventes de grasas, sin descontar que con el empleo de este dispositivo se ahorra aproximadamente entre 50 y 60 % en climatización, así como en los costos de mantenimiento, lo que hace de la rueda sensible un equipo óptimo para el intercambio de calor en este tipo de locales.
Otra posible aplicación de esta tecnología sería en las cámaras de conservación de alimentos de importación y exportación, y en las de congelados, donde uno de los problemas fundamentales es la formación de escarcha. El agua y el hielo provocan condiciones de trabajo peligrosas, ya que al formarse hielo alrededor de las puertas de acceso, los suelos se vuelven resbaladizos. El hielo igualmente se deposita en el interior de la cámara, incluyendo los evaporadores, lo que provoca la necesidad de constantes ciclos de desescarche y una disminución de la capacidad de enfriamiento de los equipos. Pueden aparecer problemas de seguridad del personal cuando se forma niebla en las proximidades de las entradas a la cámara, por la baja visibilidad. Todos estos inconvenientes se transforman en una disminución de la productividad de la cámara, y producen un aumento de los costos de mantenimiento.
El hielo, la escarcha y la niebla están provocados por la humedad del aire que se infiltra a través de las puertas de acceso a la cámara. En la figura 3 se muestran las puertas y paredes de una cámara totalmente cubiertas de hielo.
Fig. 3. Puertas y paredes
de una cámara de refrigeración.
Si lo que queremos es frenar la infiltración de aire húmedo, para evitar este fenómeno, una opción es secar el aire antes de que este penetre en la cámara, lo que puede lograrse colocando un sistema basado en la deshumidificación por rotor desecante, que elimina la humedad del aire que es la que posteriormente se transforma en hielo. En la figura 4 se muestra un sistema Munters Ice-Dry® colocado en el punto de entrada a una cámara.
Fig. 4. Cámara de congelados
con un deshumidificador MUNTERS.
Con la aplicación de esta tecnología se logró que la mercancía se mantuviera en las condiciones de temperatura idóneas y se previniera el deterioro de los productos. La ausencia de hielo significa una reducción de los costos de reparación de las puertas por la formación del hielo en ellas, reducción de costos debido a operaciones de limpieza y la disminución de los accidentes causados por los suelos resbaladizos y la niebla. Además de una reducción en los costos energéticos, ya que se reduce la frecuencia y el número de desescarches, y aumenta el rendimiento del equipo frigorífico, dado que sólo hay que ocuparse de enfriar los productos y el ambiente, pero no de la humedad procedente de las infiltraciones.
Conclusiones
Hay varios factores, a escala mundial, que han impulsado el crecimiento y las ventas actuales de los sistemas de ruedas. La necesidad de ahorrar energía y los problemas crecientes en la calidad del aire interior por cambios en normas y códigos, así como las continuas presiones para reducir los costos energéticos han traído consigo un elevado interés en las ruedas y su habilidad de controlar la humedad, unido a la posibilidad de separar el control de esta.
Para nuestro país es vital la necesidad de producir con mayor eficiencia energética y con la mayor calidad posible; por esta razón, mediante este trabajo hemos querido presentar los sistemas desecantes rotatorios, y las ruedas entálpicas y sensibles, como variantes ecológicas y económicamente atractivas para el tratamiento del aire. El estudio bibliográfico realizado muestra que en estos momentos esta tecnología se encuentra ampliamente difundida y su aplicación en diversos sectores industriales en países europeos y del área ha sido exitosa.
RIKE Ingeniería 