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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.15 n.5 La Serena  2004

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642004000500014 

 

Información Tecnológica-Vol. 15 N°5-2004, págs.: 103-110

ARTÌCULOS VARIOS

Simulación y Análisis de la Operación de Sistemas de Acondicionamiento de Aire por Adsorción

Analysis and Simulation of the Operation of an Adsorption Air Conditioning System

D. Builes1 y F. Chejne2

(1) Univ. Pontificia Bolivariana, Fac. de Ingeniería Química, Inst. de Energía y Termodinámica,
Circular 1ª Nº73-34, Apdo. Aéreo 56006, Medellín-Colombia

(2) Univ. Nacional de Colombia, Fac. de Minas, Esc. Procesos y Energía, Inst. de Energía,
Carrera 80 Nº65-223, Medellín-Colombia (e-mail: fchejne@unalmed.edu.co)


Resumen

En este trabajo se efectúa un análisis termodinámico de la operación de un sistema de acondicionamiento de aire, basado en el uso de una rueda deshumidificadora, una rueda de calor, un calentador de aire y humidificadores adiabáticos. El análisis se basó en un modelo macroscópico de balances de materia y energía, teniendo en cuenta las relaciones de equilibrio de adsorción aplicadas a la sorción de vapor de agua en sílica gel. El modelo permitió simular las condiciones de operación, y determinar la variación del coeficiente de desempeño, con respecto al incremento de temperatura requerido en el calentador de aire para la regeneración del desecante. Se determinó que el coeficiente de desempeño disminuye cuando la temperatura para la regeneración aumenta. Además, es posible obtener las condiciones de confort tan sólo variando la velocidad angular de la rueda, y la alimentación de agua en un humidificador, manteniendo un fácil control del sistema.


Abstract

In this study a thermodynamic analysis is made of the operation of an air conditioning system based on the use of a dehumidifying wheel, a heat wheel, an air heater, and adiabatic humidifiers. The analysis was based on a macroscopic model of material and energy balances, taking into account the adsorption equilibrium relationships applied to the sorption of water vapor in silica gel. The model allowed to simulate the operating conditions and to determine the variation of the coefficient of performance with regard to the required temperature increment in the air heater for desiccant regeneration. It was determined that the coefficient of performance decreases when regeneration temperature increases. Furthermore, it is possible to obtain comfort conditions by varying only the angular speed of the wheel and the water feed to a humidifier, thus maintaining easy control of the system.

Keywords: air conditioning, dehumidification, desiccants, adsorption, process simulation


 

INTRODUCCIÓN

Los procesos convencionales con lo que se acondiciona aire, presentan altos consumos de energía, pueden traer consigo problemas ambientales y en algunos casos incluso lograr  dificultades para garantizar un aire puro con la humedad y temperatura de confort. Además  requieren compresores, los cuales presentan un alto costo de mantenimiento e inversión, y demandan por completo energía eléctrica para su operación. Algunos de estos sistemas utilizan sustancias como los CFC y los HCFC, los cuales están restringidos por el protocolo de Montreal. Todo lo anterior justifica trabajos como el de Niu et al. (2002) y el de Vílches (2002), en los que se pretende remplazar los fluidos refrigerantes y/o los ciclos utilizados.

Proporciones que llegan hasta un 40% del consumo total de la energía en la industria, son alcanzadas en la producción de frío. Los supermercados son ejemplo de un consumo de hasta un 50% de la energía eléctrica total en refrigeración y hasta un 15% en el acondicionamiento de aire (Chejne et al., 2000).

A mediados de los años 50 Carl Munters dió inicio al desarrollo de un sistema de acondicionamiento de aire basado en un método al que llamó Lizzy. Básicamente el sistema tiene una rueda de calor, una rueda deshumidificadora que utiliza desecantes, y dos equipos para humidificar. En la tabla 1 se muestra una comparación entre un sistema convencional y el sistema con desecantes.

La utilización de ruedas deshumidificadoras en el acondicionamiento de aire es una buena alternativa para lograr un proceso limpio, que permite ahorrar energía, y llegar fácilmente a las condiciones de confort. La remoción de humedad puede llegar a ser menos costosa, hasta en una proporción de 6 a 1. Rengarajan y Nimmo (1993) y Niu et al. (2002), presentan algunas de las ventajas de integrar sistemas que enfrían de manera convencional, con las ruedas deshumidificadoras.

Las primeras ruedas en desarrollarse fueron las de calor, en las que sólo se intercambia energía sensible. Posteriormente se le agregó un material desecante a la matriz para lograr además un intercambio de calor latente. En la literatura se encuentran algunos modelos que describen las dinámicas de adsorción y de transferencia de calor en las llamadas ruedas de entalpía  y las  deshumidificadoras. Algunosfueron desarrollados por Simonson y Besant (1997) y Builes (2000).

 

Tabla 1: Comparación entre un Sistema Convencional y un Sistema con Desecantes.

Enfriamiento Convencional

Enfriamiento con Desecantes

Equipos

Condensadores serpentines, válvulas, compresor, sistemas de seguridad.

Rueda deshumidificadora, calentador de aire, rueda recuperadora de calor, humidificadores.

Sustancias

Fluido refrigerante (CFC ó HCFC)

Desecantes

(no nocivos)

Mantenimiento

Por razones de seguridad debe

ser riguroso y periódico.

Al tener menos equipos y poco complejos, es menor y más sencillo, por lo que se disminuye el costo.

Fuente Energética

Electricidad como única fuente.

Energía solar, eléctrica, gas o cualquier otro combustible.

   

Operación

Por lo general en ciclo cerrado, pues no recircular aire resulta costoso.

No resulta costoso trabajar en ciclo abierto. El aire se puede renovar en su totalidad.

   

Control de Humedad

Por compresión o enfriamiento.

Difícil control y costoso.

Con la rueda deshumidificadora y los humidificadores. Fácil y poco costoso.

 

CARACTERÍSTICAS DEL PROCESO

En la rueda deshumidificadora se da una adsorción de agua del aire. Para ello se cuenta con un lecho que consta de miles de conductos rectos, en algunos casos de sección de transversal triangular, recubiertos con desecantes en las paredes, y con un diámetro hidráulico muy pequeño, que puede ser hasta de 1.5mm (ver figura 1 y 2). Dicho lecho cilíndrico rota sobre su eje, y con el fin de lograr un tratamiento continuo, sólo una parte de él se utiliza para deshumidificar el aire, mientras que el resto se utiliza para ser regenerado. Las ruedas de calor y las ruedas deshumidificadoras pertenecen a la familia de los intercambiadores periódicos rotatorios.

 

 

Su apariencia externa es similar, pero difieren en la operación y en el lecho. Para las ruedas de calor la velocidad de operación está entre 10 y 30 rpm (Shah, 1981), y su lecho no cuenta con materiales higroscópicos. Por el contrario, con las ruedas deshumidificadoras se busca una carga de calor latente (captura de humedad), y sus velocidades de operación están entre 0.5 y 6 rph (ASHRAE, 2000).

Arreglos de operación del sistema

Las aplicaciones de las ruedas se dan en sistemas de preacondicionamiento en secado y acondicionamiento de aire para aplicaciones industriales, comerciales y residenciales. En general se puede operar en cuatro arreglos, los cuales se justifican según las condiciones requeridas en el recinto y las condiciones ambientales exteriores. En la figura 2 y 3 se muestra el arreglo ventilado, y los diferentes estados a los que es sometido el aire.

Las ruedas deshumidificadoras son sistemas llamados de adsorción en continuo. Le entran dos corrientes: una se destina a adsorber el agua del aire (corriente A-B en las figuras 2 y 3), y la otra corriente a regenerar el desecante (corriente H-I). Posteriormente se enfrían y humedecen las corrientes B y C respectivamente, con la intención de llevar a D a unos 10oC por debajo de la temperatura del recinto y una humedad según la carga. El tratamiento posterior del aire desde la salida del recinto, busca la regeneración del desecante, y es comprendida por las corrientes de la E a la H.

 

Fig. 3: Estados del aire en un proceso que usa desecantes para acondicionar el aire.

 

Otros arreglos para la operación pueden ser: arreglo con recirculación, con reposición y con mezclado. Dos de ellos se muestran en la figura 4. La figura 4(a) muestra el arreglo de recirculación, donde la fuente del aire que se va a tratar es el recinto; para la regeneración se utiliza una fracción de aire ambiente. En la figura 4(b) se tiene el arreglo de ventilación pura, el aire que se va a tratar es aire del ambiente, y sólo el aire que sale del recinto es utilizado para la regeneración. Una fracción pequeña de aire del ambiente se mezcla con la corriente secada para enfriarla y hacer un control de humedad. En el arreglo de reposición, tanto el aire a ser tratado como el aire para regeneración son tomados del ambiente. Por último, en el arreglo de mezclado, lo que se hace es combinar los otros modos y tanto el aire para regeneración como el que va al recinto pueden ser mezclados.

 

MODELO DE OPERACIÓN

La rueda deshumidificadora es el principal equipo del sistema, pues de su capacidad de adsorción dependerá la capacidad de lograr bajas temperaturas en la corriente D. Por medio de análisis locales y globales (Builes, 2000; Chejne et al., 2002), es posible llegar a la dinámica de adsorción, técnicas de diseño y análisis de operación global. Haciendo los  balances de masa y energía para cada parte del sistema se llega al modelo de operación.  Comenzando con el recinto, lugar donde se deben mantener unas condiciones de confort (Olesen, 2002), se cumple que:

 

Fig. 4: (a) Arreglos de los sistemas de acondicionamiento de aire con desecantes. Arreglo con Recirculación. (b) Arreglo Ventilado. (Van den Bulck et al., 1986)

 

                                            (1)

                                    (2)

Donde ch es la carga de humedad (Harriman, 1990).

Posteriormente se hace un enfriamiento evaporativo en un lecho fijo de material celuloso. El aire gana humedad y baja su temperatura (figura 2 procesos C-D y E-F). Para estos procesos se cumple que, 

                                         (3)

                                             (4)

                                        (5)

                                        (6)

Para incluir las propiedades del lecho en los balances de las ruedas, se debe tomar un volumen de control de manera independiente sobre cada sección (figura 5). Para la rueda deshumidificadora se obtiene una sección de adsorción de la humedad, y otra de regeneración del desecante, y dos corrientes de lecho húmedo entre ellas. Para ambas secciones se llega a,

                             (7)

                               (8)

                                  (9)

                             (10)

 

 

hN y hM, según la figura 5, son las entalpías del lecho húmedo por unidad de lecho seco. El lecho húmedo está formado, por desecante húmedo, matriz o soporte, y un material adherente. Despreciando la masa del adhesivo, las entalpías del lecho se puede definir como,

                       (11)

Donde el calor integral de adsorción se define como,

                                         (12)

La siguiente función del calor diferencial de adsorción, had, adaptada de la ecuación de Clausius, la presenta Smith et al. (2003),

                                           (13)

Igualmente puede utilizarse una ecuación de equilibrio de adsorción (ASHRAE, 2001), que en el caso específico de la sílica gel (Van den Bulck, 1990), esta dada por,

                    (14)

                                      (15)

Donde las constantes Ci dependen del tipo de sílica gel, F es el potencial de adsorción, %HR es la humedad relativa y R la constante de los gases ideales.

Para la entalpía del aire como gas ideal se cumple que,

                      (16)

La energía necesaria para la regeneración puede ser suministrada por gas o energía solar. Esto se pude lograr fácilmente puesto que las temperaturas necesarias están entre 900C y 500C. Para el calentador se tiene entonces que,

                                          (17)

El calentador presenta la mayor demanda energética del sistema, y es a su vez la gran ventaja energética y económica que ofrece esta forma de acondicionar aire respecto a la forma convencional, debido a que esta última, demanda un 100% de energía eléctrica.

En forma análoga, se divide la rueda de calor en una sección para el calentamiento del lecho y otra para su enfriamiento. Por lo tanto,

                             (18)

                          (19)

Donde Y y Z son las corrientes de lecho sin desecante.

Análisis de grados de libertad

Antes de la solución del anterior modelo de operación del sistema, se hizo un análisis de grados de libertad (Reklaitis, 1989) con el que se logró dar a conocer el número de variables que se deben medir o estimar para tener todo el modelo del sistema especificado. Se llegó a que el proceso está regido por 63 variables, entre las que se tienen 22 entalpías, 14 temperaturas, 9 humedades absolutas del aire, 7 flujos másicos, 2 humedades del desecante y 2 cargas térmicas. En cuanto a ecuaciones, se tienen las 30 obtenidas del modelo de operación y 12 relaciones adicionales entre las que se cuentan las funciones de las entalpías con la temperatura. Variables de las más representativas pueden ser conocidas a priori; tal como las condiciones de confort, las condiciones del ambiente, la carga térmica y la de humedad del recinto. Se llega entonces a 13 grados de libertad, que son satisfechos con criterios como los siguientes:

En la práctica son usadas relaciones de f, ( ) entre 0.6 y 0.8 (ASHRAE, 2000), las que también se justificarían simulando la rueda deshumidificadora con modelos locales. De la psicrometría se nota que para wB y TD, se deben fijar sus valores de tal manera que permitan llegar al confort deseado. En cuanto a TF, es posible fijarla teniendo en cuenta los requerimientos de operación de la rueda de calor. Y por último, es posible relacionar las humedades y temperaturas medias de las corrientes N y M con TI, por medio de las isotermas de adsorción del desecante.

Análisis de operación

Si se define un coeficiente de operación térmico, COP, como la relación de carga térmica evacuada del recito y el calor utilizado para regenerar el desecante de la rueda, se llega a la siguiente expresión:

 (20)

También podría definirse un COP global, el que incluiría el consumo eléctrico de los motores de los ventiladores y los que mueven las ruedas. Sin embargo, la anterior ecuación presenta el COP térmico en función de las variables de más influencia en el proceso, y tiene utilidad para hacer una optimización energética del proceso. Para ello se debe tener en cuenta que la diferencia de temperaturas TH-TG, debe ser mínima, al igual que el producto wBTC, el cual depende en principio de la operación de la rueda deshumidificadora. Igualmente se nota que mientras menos aire se requiera para la regeneración menor será el consumo energético, por lo que la relación  debe buscar un máximo. Con fines de control, se deben atender las condiciones en D, y para conseguirlas se debe regular la operación de la rueda deshumidificadora principalmente. Pero, para un análisis energético y optimización, se recomiendan las condiciones en C.

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Se analizó un sistema piloto para una carga calórica entre 0.5 y 6 kW, y un confort de 23oC y 47% de humedad relativa. Se usó sílica gel de densidad regular sobre una matriz de aluminio. Para la regeneración se usaron valores de f entre 0.7 y 1.0. Los flujos de aire seco, desecante seco y matriz fueron de 0.6, 0.038 y 0.7 kg/s, correspondientes a velocidades angulares de 7rph y 10rpm respectivamente. Las condiciones del aire en cada corriente se reportan en la tabla 2.

El incremento de temperatura de A a B se debe en baja proporción al calor de adsorción, que en este caso es de -63.02 kJ/kg. En el caso de darse en un proceso adiabático, la temperatura en B sería alrededor de 55°C. El incremento influye positivamente al COP, y es una razón de ser de la rueda de calor. El fenómeno de C a D es casi opuesto al de A a B, y es con el que se esta, por lo general, más familiarizado.

Una corriente fría y seca como C, tiene gran capacidad de adquirir agua, y por lo tanto de bajar su temperatura; situación más fácil de lograr a calores de adsorción menores. Según las condiciones  de la tabla 2, C podría bajar hasta 15°C, pero quedaría muy por encima de la humedad de confort. Es por esto que la deshumidificación lograda en de A a B, y el enfriamiento que se da en B-C dan cuenta de la capacidad del sistema global, y son la clave para tener una buena controlabilidad.

Debido a la dinámica de adsorción de la sílica gel, y a la de calentamiento del lecho, se debe operar la rueda deshumidificadora a una velocidad de rotación menor que la de la rueda de calor. Esto se debe a que, en el interior de los conductos, el frente de onda de humedad es más lento que el frente de temperatura, es decir, el sistema matriz-sílica gel-aire ha de alcanzar más rápido el equilibrio térmico que el equilibro químico.

 

Tabla 2: Especificaciones de las Principales Corrientes del Sistema

Corriente

T (oC)

%HR

w (g/kg)

A

28.0

60.0

17.27

B

59.4

4.1

6.00

C

29.2

19.8

6.00

D

19.8

57.4

9.94

E

23.0

47.0

9.94

F

20.0

63.5

11.20

G

50.1

12.0

11.20

H

70.0

4.8

11.20

 

En la figura 6 se observa la dependencia del COP con la diferencia TG-TH, para varias cargas térmicas. Se nota que la dependencia se vuelve menor a cargas bajas, hasta el punto que a una carga de 1kW, el COP es casi constante. Ahora, considerando como parámetro la fracción f, la figura 7 muestra que los rendimientos son más altos cuando las fracciones son pequeñas. Además se nota que la sensibilidad del COP al incremento de temperatura es mucho mayor que la que tiene con la fracción.

La dependencia del COP con la carga térmica y la fracción, se presenta en la figura 8. Se nota que f no modifica de manera apreciable la sensibilidad del COP con las carga; y con cargas menores a 2kW, la influencia de f es muy baja. Por ejemplo, si se lleva la corriente H hasta una TH de 70oC, y se usa una fracción de 0.7, el incrementar TH en 10% representa una disminución del 21% en el COP. Por otro lado, un incremento de la fracción de un 10% reduce el COP en un 8%. La sensibilidad a las variaciones entre dichas variables presenta una atenuación a medida que TH se incrementa.

 

CONCLUSIONES

Basado en los anteriores resultados, en la discusión que se hizo de cada uno de ellos, en general se pude concluir que:

Una de las principales características de los sistemas analizados, es que aunque presenta por lo general valores de COP un poco bajos, en el calentador de aire, equipo que muestra el mayor consumo de energía, se puede usar energía diferente a la eléctrica. La demanda eléctrica se da en la operación de los ventiladores y los motores que mueven las ruedas.

 

Además, si se trata de un sistema ventilado, su análisis térmico, básicamente estará regido por 63 variables, las que están relacionadas por 30 ecuaciones obtenidas del modelo de operación, y 12 relaciones adicionales que se obtienen de ecuaciones de estado.

El calor de adsorción favorece el COP del sistema, pues permite que TB sea mayor. Sin embargo, dificulta un poco la obtención de las condiciones de confort.

Se podrían obtener temperaturas más bajas en la corriente D a costa de sacrificar un poco la humedad de confort.

El sistema estudiando permite un fácil control, pues es posible obtener las condiciones de confort tan sólo variando la velocidad angular de la rueda, y la alimentación de agua en el primer humidificador.

Usar más de la mitad de la rueda para el proceso de deshumidificación, permite reducir el aire a calentar, y aumentar el área de adsorción, o visto de otra forma, la cantidad de aire a deshumidificar, todo con la ventaja de no requerir un incremento en el tamaño del equipo. Así mismo se logra modificar el COP, pues este se incrementa al aumentar f.

 

NOMENCLATURA

      Flujo másico, kg/s.

w       Humedad absoluta del aire, kg/kg.

ch      Carga de humedad en el recinto, kg/s.

Cp     Capacidad calorífica. J/kgK.

COP    Coeficiente de operación.

f        Relación de flujos másico de adsorción y regeneración.

h        Entalpía específica, J/kg.

P       Presión. kPa.

    Carga térmica del recinto, W.

    Carga térmica de regeneración, W.

R       Constante de los gases ideales.

      Fracción masa para la composición del lecho seco, kg/kg.

had Calor diferencial isostérico de adsorción.

Calor integral de adsorción a humedad x, por unidad de masa de desecante y referido al agua líquida, J/kg.

x       Masa de agua por masa de desecante seco, kg/kg

 

Subíndices

a       aire seco

A, B, ...I   Corrientes de aire.

d       Desecante seco.

eq     Equilibrio.

w       Agua líquida

C*, E* Corrientes de agua líquida.

M      Corriente de lecho húmedo que sale de la sección de deshumidificación.

m      Matriz.

N       Corriente de lecho húmedo que entra a la sección de deshumidificación.

L       Lecho.

v       Vapor de agua.

Y       Corriente de lecho de la rueda de calor que sale de la sección de calentamiento del lecho.

Z       Corriente de lecho de la rueda de calor que sale de la sección de enfriamiento del lecho.

w      Agua en la sílica.

Superíndices

rd      Rueda deshumidificadora

rc      Rueda de calor

a       Adsorción

r        Regeneración

 

AGRADECIMIENTOS

Se quiere dar especiales agradecimientos a COLCIENCIAS y a la Universidad Pontificia Bolivariana por su apoyo.

 

REFERENCIAS

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