Eficiencia energética e integración de la refrigeración por desecante con enfriadoras de absorción

Autor: Departamento Técnico de Mycond

Los sistemas modernos de climatización se enfrentan al reto de controlar de forma eficiente tanto la temperatura como la humedad del aire. Los sistemas tradicionales de refrigeración por compresión de vapor funcionan enfriando el aire por debajo del punto de rocío para condensar la humedad y, posteriormente, aplicando un recalentamiento (reheat), lo que conlleva importantes pérdidas energéticas. La magnitud de estas pérdidas depende de los parámetros iniciales del aire, de la profundidad de deshumidificación y de la eficiencia de los intercambiadores de calor, y puede representar hasta el 30-40% del consumo energético total del sistema de climatización.

La refrigeración por desecante ofrece un enfoque alternativo, separando los procesos de control de temperatura y de humedad. El principio básico de esta tecnología consiste en la adsorción de humedad por desecantes sólidos o líquidos, seguida del enfriamiento independiente del aire deshumidificado. Este enfoque permite utilizar energía térmica para la regeneración del desecante, algo especialmente relevante en condiciones de tarifas eléctricas elevadas.

Históricamente, el desarrollo de los sistemas de refrigeración por desecante se intensificó a partir de la década de 1980, cuando se diseñaron ruedas adsorbentes giratorias compactas, lo que redujo significativamente el tamaño del equipo y amplió las posibilidades de su aplicación práctica. Los prerrequisitos económicos incluyeron el aumento de las tarifas eléctricas, la necesidad de reducir la carga punta en las redes y una mayor atención al control de la calidad del aire interior.

Fundamentos físicos de la refrigeración por desecante

El proceso de adsorción de humedad en los sistemas desecantes se basa en el fenómeno físico de la difusión del vapor de agua debido a la diferencia de presiones parciales entre el aire húmedo y la superficie del desecante. La eficacia de este proceso depende directamente de la superficie específica del material desecante, que puede ser de 600-800 m²/g para gel de sílice o de hasta 1000-1200 m²/g para tamices moleculares modernos.

La regeneración del desecante saturado de humedad se lleva a cabo calentándolo a una temperatura que depende del tipo de material y del punto de rocío objetivo. Para el gel de sílice, el material más extendido, la temperatura de regeneración suele ser de 80-120 °C. Para los tamices moleculares puede requerirse 120-180 °C, mientras que los desecantes compuestos modernos pueden regenerarse a temperaturas más bajas de 50-80 °C. Estos rangos son orientativos y deben precisarse según la documentación técnica del fabricante para el producto concreto.

Un aspecto termodinámico importante es la liberación de calor de sorción durante la adsorción de humedad. Este calor se compone del calor latente de condensación del vapor de agua (aproximadamente 2260 kJ/kg a 25 °C) y de un calor químico adicional de enlace, que depende del tipo de desecante. El calor total de sorción puede ser de 2500-3000 kJ/kg de humedad eliminada. Este calor provoca el calentamiento del aire deshumidificado, lo que debe tenerse en cuenta al diseñar el sistema de refrigeración.

Componentes de los sistemas desecantes

El elemento central de un sistema desecante es una rueda giratoria con material adsorbente. La construcción de esta rueda incluye una estructura celular recubierta de desecante. El porcentaje de recubrimiento con desecante depende del fabricante y de la aplicación, y puede ser del 60% al 90% de la superficie disponible. El diámetro de la rueda se determina por el caudal de aire conforme a la velocidad del aire a través de la sección, que suele ser de 2-4 m/s. La profundidad de la rueda influye en la eficacia de deshumidificación y en la resistencia aerodinámica; el rango típico es de 200-400 mm.

La velocidad de rotación de la rueda es un parámetro crítico que determina el equilibrio entre la eficacia de deshumidificación y el arrastre de calor. Los valores óptimos suelen situarse entre 5 y 20 revoluciones por hora. La rueda está dividida en dos zonas principales: la de proceso (normalmente el 70-75% del área de la rueda), por la que pasa el aire a deshumidificar, y la zona de regeneración (25-30%), por la que circula el aire de regeneración calentado.

El sistema de regeneración incluye un calentador del aire de regeneración, cuya potencia se determina por el tipo de desecante y la profundidad de regeneración necesaria. El caudal de aire de regeneración suele ser del 25-40% del caudal de aire de proceso, aunque este indicador puede variar en función de la temperatura de regeneración y de los parámetros del aire exterior. El consumo energético para la regeneración suele ser de 3000-4500 kJ por kilogramo de humedad eliminada, calculándose valores concretos para cada proyecto por separado.

Para aumentar la eficiencia energética, los sistemas desecantes suelen estar equipados con una rueda de recuperación de entalpía para la recuperación de energía. La eficiencia de estos intercambiadores de calor suele ser del 65-80%, según el diseño, la velocidad de rotación y el esquema de flujos. También se utilizan ampliamente sistemas de refrigeración evaporativa indirecta, cuya eficiencia puede ser del 60-90% y depende en gran medida de la humedad del aire exterior y del diseño del intercambiador de calor.

Enfriadoras de absorción y su integración con sistemas desecantes

Las enfriadoras de absorción son máquinas frigoríficas térmicas que utilizan agua como refrigerante y bromuro de litio (LiBr) como absorbente. Su funcionamiento se basa en un ciclo de cuatro componentes, que incluye evaporador, absorbedor, generador y condensador.

En el evaporador, el agua se evapora a baja presión (cerca de 0,8-1,2 kPa) y baja temperatura (5-10 °C), extrayendo calor del agua o del aire que se desea enfriar. En el absorbedor, el vapor de agua es absorbido por una disolución concentrada de LiBr; este proceso libera calor y requiere refrigeración del absorbedor. En el generador, la disolución se calienta hasta 80-95 °C para máquinas de una etapa o 120-150 °C para máquinas de dos etapas, lo que provoca la evaporación del agua de la disolución y su concentración. En el condensador, el vapor se condensa, cediendo calor al agua de refrigeración.

Los indicadores energéticos típicos de las enfriadoras de absorción se determinan mediante el coeficiente de rendimiento (COP), que para máquinas de una etapa es de 0,6-0,75 y para las de dos etapas de 1,0-1,3. Estos valores son inferiores a los de las enfriadoras por compresión de vapor (COP 3,0-5,5), sin embargo, las enfriadoras de absorción utilizan energía térmica barata en lugar de electricidad cara, lo que puede hacerlas atractivas económicamente.

Existen tres esquemas principales de integración de la deshumidificación desecante con enfriadoras de absorción:

1. Esquema en serie: el aire pasa por la rueda desecante, donde se elimina la humedad y aumenta la temperatura debido al calor de sorción, y después se enfría con la enfriadora de absorción hasta la temperatura establecida. La ventaja de este esquema es el control independiente de temperatura y humedad.
2. Esquema en paralelo: el sistema desecante trata el aire exterior de ventilación, eliminando humedad antes de su impulsión al espacio, mientras que la enfriadora de absorción trata el aire de recirculación, retirando la carga sensible. Esto permite reducir la carga total sobre la enfriadora.
3. Esquema de cogeneración: una única fuente de energía térmica alimenta tanto la regeneración del desecante como el generador de la enfriadora de absorción mediante un sistema de distribución. Este esquema proporciona la máxima utilización de la energía primaria del combustible, alcanzando un rendimiento global del sistema del 70-85%.

Efectos sinérgicos de la combinación de tecnologías

La combinación de la refrigeración por desecante con enfriadoras de absorción aporta varios efectos sinérgicos importantes:

1. Ambos sistemas consumen energía térmica, lo que permite desplazar la carga de la red eléctrica en horas punta, reduciendo la factura por potencia punta. La magnitud del ahorro depende de la estructura tarifaria, del perfil de carga y del volumen de consumo desplazado.
2. El presecado del aire con desecante reduce el punto de rocío, lo que permite elevar la temperatura del agua fría de la enfriadora de los tradicionales 6-7 °C a 12-15 °C. Este aumento de la temperatura del evaporador mejora el COP de la máquina de absorción. Orientativamente, por cada aumento de 5-7 °C en la temperatura del evaporador, el COP puede mejorar un 10-15%.
3. Posibilidad de utilizar calor residual de bajo potencial con temperatura de 50-80 °C para la regeneración de desecantes de baja temperatura, lo cual es especialmente relevante en instalaciones donde se rechaza calor de procesos tecnológicos.

Eficiencia energética y prestaciones de los sistemas

El coeficiente de rendimiento (COP) para los sistemas de refrigeración por desecante se define como la relación entre la potencia frigorífica útil y la suma de todos los consumos energéticos. Los valores típicos de COP para diversas configuraciones de sistemas desecantes son de 0,5-1,2, aunque estos indicadores dependen en gran medida de muchos factores, incluidos los parámetros del aire exterior, el régimen de trabajo, la eficiencia de los componentes y la fuente de energía térmica.

Para un esquema básico, el COP se determina por la relación entre la energía térmica y la eléctrica utilizada. Al aplicar un esquema con recuperación de calor, el COP aumenta gracias al ahorro en la regeneración. Para un esquema completamente térmico de cogeneración, el COP global contempla el uso integral de la energía y puede alcanzar valores de 1,5-2,0, dependiendo de la eficiencia de la instalación de cogeneración, de las pérdidas en los intercambiadores de calor y del modo de operación de todos los componentes.

Para evaluar la eficiencia del ciclo térmico por separado de la parte eléctrica se emplea el indicador COP térmico (thermal COP), que se calcula como la relación entre la potencia frigorífica y la energía térmica consumida. Este indicador permite comparar entre sí diferentes tecnologías de refrigeración de naturaleza térmica.

Comparación con los sistemas de refrigeración tradicionales

Al comparar los sistemas desecantes con los sistemas tradicionales de refrigeración-deshumidificación, cabe señalar que el COP del esquema tradicional con condensación y posterior recalentamiento (reheat) se calcula a partir del balance energético y depende de los parámetros del aire, de la profundidad de subenfriamiento y de la eficiencia de los intercambiadores de calor.

Los sistemas desecantes presentan ventajas en tres condiciones:

• Alta proporción de carga latente (relación de calor sensible por debajo de 0,7-0,8), lo que indica una fracción significativa de humedad en la carga total.
• Necesidad de un punto de rocío bajo (por debajo de 7-10 °C), donde los sistemas de condensación tradicionales se vuelven ineficientes debido a la necesidad de un subenfriamiento profundo con grandes pérdidas energéticas.
• Disponibilidad de energía térmica barata, que hace que la regeneración térmica sea económicamente viable frente a la refrigeración eléctrica.

Para mejorar la eficiencia energética de los sistemas desecantes se emplea la regeneración en dos etapas, en la que la primera etapa utiliza calor a menor temperatura (50-70 °C) para eliminar parte de la humedad, y la segunda etapa utiliza calor a mayor temperatura (80-120 °C) para eliminar la humedad restante. La ventaja de este enfoque es un ahorro de energía de alta temperatura del 20-30%.

También es eficaz aplicar el concepto de almacenamiento de energía en sistemas líquidos, lo que permite realizar la regeneración en periodos de tarifas bajas. El efecto económico depende de la estructura tarifaria, del volumen de almacenamiento y de las inversiones de capital en depósitos adicionales.

Aplicaciones típicas y soluciones de diseño

Los sistemas desecantes con enfriadoras de absorción encuentran aplicación en diversos sectores:

• Supermercados: donde las vitrinas abiertas generan una carga latente significativa, que se calcula a partir de modelos de infiltración y depende de la configuración de las vitrinas y de los parámetros del aire. El sistema desecante mantiene la humedad en el nivel del 40-45%, determinado por los requisitos tecnológicos. Es posible utilizar el calor rechazado de los condensadores (35-45 °C) para regenerar desecantes de baja temperatura.
• Hoteles: donde el aire de renovación constituye una parte significativa del caudal total de ventilación y aporta la carga latente principal. El sistema desecante reduce la humedad, lo que permite disminuir el tamaño de la enfriadora en un 15-30% y reducir el consumo eléctrico en punta.
• Piscinas: donde la evaporación crea una carga latente considerable, que depende del área de la lámina de agua, de la temperatura del agua y del aire, de la velocidad del aire sobre la superficie y de la intensidad de uso de la piscina. La relación de calor sensible suele ser de 0,3-0,5, lo que implica predominio de la componente latente.
• Sistemas con refrigeración radiante: donde las superficies frías con temperatura de 16-18 °C requieren que el punto de rocío del aire sea 2-3 °C inferior para evitar la condensación. El sistema desecante mantiene de forma estable un punto de rocío bajo incluso en cargas punta.

Al diseñar sistemas desecantes es importante calcular correctamente los caudales de aire. El caudal de aire de proceso se determina a partir del balance de humedad como la relación entre las emisiones de humedad y la diferencia de contenido de humedad. Para alcanzar el punto de rocío objetivo en las condiciones dadas, es necesario deshumidificar el aire en una magnitud definida, lo que a determinados aportes de humedad exige los caudales de aire correspondientes.

El caudal de aire de regeneración se determina por la profundidad necesaria de desorción de humedad del desecante para restaurarlo a su capacidad inicial. La relación entre el aire de proceso y el de regeneración varía en el rango de 2,5:1 a 4:1, dependiendo de la temperatura de regeneración (temperaturas más altas permiten caudales menores) y de los parámetros del aire exterior (en climas húmedos se requieren caudales mayores).

La elección de la temperatura de regeneración depende del tipo de desecante y del punto de rocío objetivo. Regla general: aumentar la temperatura de regeneración mejora la profundidad de deshumidificación, pero incrementa el consumo energético. El óptimo se determina mediante un análisis técnico-económico para las condiciones de operación concretas.

Preguntas frecuentes (FAQ)

¿En qué se diferencia fundamentalmente la refrigeración por desecante del acondicionamiento tradicional y cuándo es recomendable?

El acondicionamiento tradicional utiliza un único proceso para reducir simultáneamente la temperatura y la humedad, enfriando el aire por debajo del punto de rocío y aplicando posteriormente un recalentamiento (reheat). Esto requiere un gasto energético considerable, que se calcula a partir del balance térmico y puede representar el 30-40% del consumo energético total. La refrigeración por desecante separa los procesos, utilizando la adsorción para eliminar la humedad y un enfriamiento independiente para reducir la temperatura, lo que permite controlar ambos parámetros de forma independiente.

La refrigeración por desecante es recomendable bajo tres condiciones: alta proporción de carga latente (más del 30-40% de la carga total), necesidad de un punto de rocío bajo (por debajo de 7-10 °C) y disponibilidad de energía térmica barata. Para determinar la conveniencia se realiza el cálculo completo del balance térmico y de humedad del objeto, se evalúa el coste de distintas fuentes de energía y se comparan los costes de capital y operativos de sistemas alternativos.

¿Cómo funciona una enfriadora de absorción y por qué se combina eficazmente con un desecante?

Una enfriadora de absorción funciona mediante un ciclo termoquímico, utilizando un par de sustancias: agua como refrigerante y bromuro de litio como absorbente. En el evaporador, a baja presión (0,8-1,2 kPa), el agua se evapora, absorbiendo calor del agua a enfriar. En el absorbedor, el vapor es absorbido por la disolución de LiBr con liberación de calor. En el generador, la disolución se calienta hasta 80-95 °C (para máquinas de una etapa), lo que provoca la desorción del vapor. En el condensador, el vapor se condensa, cediendo calor al agua de refrigeración.

Aunque el COP de las enfriadoras de absorción (0,6-0,75 para una etapa) es inferior al de las eléctricas (3,0-5,5), aquellas utilizan energía térmica barata en lugar de electricidad cara. La sinergia con el desecante se manifiesta en tres aspectos: ambos sistemas consumen energía térmica, lo que desplaza la carga de la red eléctrica; el presecado del aire permite elevar la temperatura del agua fría de 6-7 °C a 12-15 °C, mejorando el COP de la máquina de absorción en un 10-15%; es posible utilizar una única fuente de calor para ambos sistemas, maximizando la utilización de la energía primaria.

¿Qué fuentes de energía térmica pueden utilizarse y cómo afecta esto a la economía?

Fuentes de energía térmica para sistemas desecantes y enfriadoras de absorción en orden creciente de coste:

1. Calor residual de procesos tecnológicos, motores, compresores. La temperatura depende de la fuente (35-150 °C). Económicamente la más ventajosa, ya que el coste viene determinado solo por las inversiones en recuperación.
2. Energía solar mediante colectores, que alcanzan temperaturas de 60-90 °C para los planos o hasta 120-150 °C para los de tubos de vacío. El coste tras la amortización del equipo es mínimo, pero la inversión inicial es significativa.
3. Gas natural con eficiencia de quemadores del 85-95%. Las tarifas varían según la región y la temporada.
4. Calentadores eléctricos con eficiencia cercana al 100%, pero con el coste de energía más alto, lo que los hace económicamente inviables para uso continuo.

El uso de calor residual puede reducir los costes operativos en un 50-80% en comparación con el gas natural, haciendo que los sistemas sean económicamente atractivos incluso con inversiones iniciales superiores. Los cálculos específicos se realizan de forma individual para cada proyecto teniendo en cuenta las tarifas locales y las fuentes disponibles.

¿Cuáles son los errores típicos en el diseño de sistemas de refrigeración por desecante?

Los errores más comunes incluyen:

1. Subestimar el calor residual – los proyectistas olvidan que la eliminación de humedad libera aproximadamente 2500-3000 kJ/kg de calor de sorción, lo que requiere potencia frigorífica adicional. Solución: calcular la carga total teniendo en cuenta el calor de sorción.
2. Elección incorrecta de la relación de caudales – la relación óptima entre el aire de proceso y el de regeneración depende de muchos factores y no es fija. Solución: realizar cálculos utilizando isotermas de adsorción para las condiciones específicas.
3. Ignorar las fugas de aire – incluso pequeñas fugas (5-10%) pueden reducir significativamente el rendimiento. Solución: sellados de calidad, mantenimiento de presión positiva en la zona de proceso.
4. Filtración insuficiente del aire – la suciedad puede reducir la capacidad del desecante en un 20-40%. Solución: filtros de clase no inferior a F7 (ISO ePM1 50%).
5. No considerar el cambio estacional de la eficacia de la refrigeración evaporativa, que depende de la diferencia entre las temperaturas de bulbo seco y húmedo. Solución: sistema de respaldo o esquema híbrido con refrigeración mecánica.

Conclusiones

La refrigeración por desecante integrada con enfriadoras de absorción representa una tecnología que separa el tratamiento de la carga sensible y la latente, utilizando preferentemente energía térmica en lugar de eléctrica. Este enfoque permite lograr un aumento significativo de la eficiencia energética en determinadas condiciones de operación.

Recomendaciones prácticas para ingenieros:

1. Elija el esquema de integración según la estructura de la carga: en serie con alta carga latente, en paralelo con un volumen significativo de aire exterior, y de cogeneración para necesidades energéticas complejas.
2. Maximice el uso de calor residual o renovable como factor principal de viabilidad económica.
3. Tenga necesariamente en cuenta el calor residual de adsorción al calcular la capacidad frigorífica requerida.

Los sistemas desecantes son óptimos cuando concurren tres factores: la carga latente supera el 30-40% de la carga total, es necesario mantener el punto de rocío por debajo de 7-10 °C y existe disponibilidad de calor barato (residual, solar o gas con tarifa competitiva).

El periodo de amortización de estos sistemas se determina con una metodología que tiene en cuenta la relación entre las tarifas de electricidad y de energía térmica, el régimen de funcionamiento del equipo y la posibilidad de recuperación de calor. En condiciones favorables, el periodo de amortización puede ser de 2 a 5 años, si bien los valores concretos dependen de las condiciones locales.

Debe señalarse que la refrigeración por desecante no es una solución universal y puede ser ineficiente con baja carga latente, sin acceso a energía térmica barata, en climas muy secos, para pequeños emplazamientos o con una temporada de refrigeración corta. La integración de la tecnología desecante con enfriadoras de absorción está justificada principalmente para instalaciones con necesidades complejas de control preciso del microclima y disponibilidad de diversos recursos energéticos.