Autor: departamento técnico de Mycond
El control preciso de la humedad en las cámaras climáticas de ensayo es una tarea de importancia crítica para muchas industrias. Esta tarea se vuelve especialmente compleja cuando se trabaja con amplios rangos de temperatura y cambios rápidos de régimen. En este artículo analizaremos los aspectos de ingeniería de la selección y el cálculo de sistemas de deshumidificación para estas condiciones específicas.
Especificidad de las cámaras climáticas de ensayo como objeto de control de humedad
Las cámaras climáticas de ensayo se diferencian de los sistemas de climatización estándar por un rango de parámetros de operación extraordinariamente amplio. Un rango típico de temperatura puede ir de -70°C a +180°C, y el de humedad relativa — del 10% al 98% en función del tipo de cámara y del estándar de ensayo.
Los requisitos de precisión en el mantenimiento de parámetros en estas cámaras son extremadamente estrictos. Normalmente la desviación admisible es de ±2–3% de humedad relativa, lo que exige sistemas de control y regulación de alta precisión. Además, la velocidad de cambio de régimen es un requisito técnico importante que influye directamente en la elección del equipo de deshumidificación.
Otra particularidad de las cámaras climáticas es el volumen relativamente pequeño del espacio de trabajo, que influye de forma significativa en la inercia del sistema. Un volumen reducido conduce a una respuesta rápida ante cambios de parámetros, pero a la vez exige un control de la humedad más preciso y ágil.
Física del proceso: relación entre temperatura y humedad en regímenes dinámicos
Para entender los procesos que tienen lugar en las cámaras climáticas, es necesario comprender la relación fundamental entre la temperatura y la humedad relativa y absoluta. Al cambiar la temperatura del aire, también cambia su capacidad de retener humedad, lo que afecta directamente a la humedad relativa.
Los procesos psicrométricos en cambios bruscos de temperatura se visualizan mejor en el diagrama h–d de Mollier. En este diagrama se observa claramente que al calentar el aire su humedad relativa disminuye, incluso si el contenido de humedad absoluta permanece inalterado. Esto se explica porque el aire cálido puede retener más vapor de agua.
La dependencia de la capacidad de humedad del aire con la temperatura se describe por la ecuación de Mendeleiev–Clapeyron. Para cálculos prácticos es importante entender que el cambio de la humedad relativa (φ) en un calentamiento isobárico puede aproximarse por la fórmula:
$$phi_2 = phi_1 cdot frac{P_s(T_1)}{P_s(T_2)}$$
donde $P_s(T)$ es la presión de vapor de agua saturado a la temperatura T.
Al enfriar el aire se observa el proceso inverso: la humedad relativa aumenta y, al alcanzarse el punto de rocío, comienza la condensación. Comprender estos procesos es clave para el correcto diseño de los sistemas de deshumidificación para cámaras climáticas.
Limitaciones técnicas de la deshumidificación por condensación en cámaras climáticas
La deshumidificación por condensación, ampliamente utilizada en sistemas de climatización, tiene limitaciones significativas en cámaras climáticas. La principal limitación está relacionada con la imposibilidad de operar a temperaturas por debajo del punto de congelación del condensado (normalmente por debajo de 0–3°C), ya que la formación de hielo en el evaporador provoca el bloqueo del intercambio térmico y una caída de la eficiencia.
Otro factor importante es la inercia en el cambio de la capacidad debido a la inercia térmica del evaporador. Normalmente el tiempo de respuesta del evaporador ante un cambio de régimen es de 5 a 15 minutos, dependiendo de la masa del intercambiador de calor. Esta inercia crea serios problemas cuando los parámetros cambian rápidamente en las cámaras climáticas.
La mayoría de los sistemas por condensación no pueden mantener un punto de rocío por debajo de 3–5°C, lo que limita su aplicación a humedades muy bajas. El rendimiento del deshumidificador por condensación también depende de forma notable de la temperatura del evaporador, que está determinada por la termodinámica del ciclo frigorífico.
Deshumidificación por adsorción: ventajas y retos técnicos para regímenes dinámicos
La deshumidificación por adsorción presenta ventajas significativas para cámaras climáticas con un amplio rango de temperaturas. Estos sistemas pueden trabajar en un rango de -70°C a +80°C, proporcionando puntos de rocío de hasta -70°C con adsorbentes a base de gel de sílice.
Uno de los principales retos técnicos de la deshumidificación por adsorción es el tiempo de regeneración del desecante, que oscila entre 20 y 180 minutos según el tipo de adsorbente y el grado de saturación. Este factor debe tenerse en cuenta al diseñar sistemas para regímenes dinámicos.
La eficacia de la deshumidificación por adsorción depende en gran medida del tipo de desecante utilizado. Diferentes adsorbentes (gel de sílice, zeolita, tamices moleculares) presentan isotermas de adsorción distintas —curvas de la capacidad de adsorción en función de la humedad relativa a una temperatura dada—.
La capacidad de adsorción también depende de forma notable de la temperatura de regeneración. Aumenta al elevar la temperatura de 120°C a 180°C para distintos tipos de adsorbentes, lo que permite optimizar la eficiencia del sistema.
Metodología de cálculo de la capacidad de deshumidificación para cámaras climáticas
Para calcular correctamente la capacidad del sistema de deshumidificación es necesario determinar la carga de humedad durante el cambio de régimen. Esto puede hacerse mediante la diferencia del contenido de humedad absoluta en gramos por kilogramo de aire seco, multiplicada por el volumen de la cámara y la densidad del aire:
$$W = (d_1 - d_2) cdot V cdot rho$$
donde W es la cantidad de humedad que debe eliminarse (g), d₁ y d₂ son el contenido de humedad inicial y final del aire (g/kg), V es el volumen de la cámara (m³) y ρ es la densidad del aire (kg/m³).
La velocidad necesaria de extracción de humedad se calcula como la relación entre la cantidad de humedad y el tiempo fijado para el cambio de parámetros:
$$G = W / t$$
donde G es la capacidad requerida del deshumidificador (g/h) y t es el tiempo para alcanzar el régimen (h).
Al seleccionar el tipo de deshumidificación puede seguirse el siguiente algoritmo:
1. Si la temperatura > +5°C Y el punto de rocío > 0°C → es posible la deshumidificación por condensación
2. Si la temperatura < +5°C O el punto de rocío < -10°C → se requiere deshumidificación por adsorción
3. En los demás casos → se recomienda un sistema combinado
Para regímenes dinámicos es importante considerar un coeficiente de reserva, que normalmente varía de 1.3 a 1.8 según la velocidad de cambio de los parámetros.
Tiempo de respuesta del sistema de deshumidificación y factores de inercia
El tiempo de respuesta total del sistema de deshumidificación se compone de varios componentes. Para los sistemas por condensación, la inercia térmica del evaporador, que depende de su masa y de la capacidad calorífica del material, tiene una influencia significativa. Para los sistemas de adsorción, el factor crítico es el tiempo de regeneración del rotor o de los cartuchos de adsorción.
El retardo de transporte en los conductos de aire se calcula como la relación entre el volumen de los conductos y el caudal de aire. Este factor es especialmente importante en sistemas con deshumidificadores remotos.
La inercia de los sensores de humedad también introduce un retardo en el funcionamiento del sistema. Normalmente varía entre 30 segundos y 3 minutos según el tipo de sensor y la velocidad del flujo de aire.
El tiempo total para alcanzar el régimen puede determinarse como la suma de todos los componentes de inercia:
$$t_{заг} = t_{інерц} + t_{транс} + t_{сенс} + t_{рег}$$
donde $t_{заг}$ es el tiempo total para alcanzar el régimen, $t_{інерц}$ es el tiempo de inercia térmica, $t_{транс}$ es el retardo de transporte, $t_{сенс}$ es la inercia del sensor y $t_{рег}$ es el tiempo de regeneración (para sistemas de adsorción).
Sistemas de deshumidificación combinados y de búfer
Para garantizar un amplio rango de temperaturas y humedades se utilizan a menudo sistemas de deshumidificación combinados. Una opción típica es la aplicación en serie de deshumidificación por condensación y por adsorción, donde el deshumidificador por condensación elimina la mayor parte de la humedad y el de adsorción permite alcanzar puntos de rocío bajos.
Un elemento importante de estos sistemas es el mecanismo de conmutación entre modos según criterios de temperatura o del punto de rocío requerido. Esto permite optimizar el consumo energético y garantizar un funcionamiento estable en un amplio rango de condiciones.
Para amortiguar los procesos transitorios se utilizan depósitos búfer de aire tratado. Son especialmente importantes cuando los parámetros cambian rápidamente y la inercia de los sistemas de deshumidificación impide reaccionar de forma instantánea a las variaciones.
Errores de ingeniería típicos y conceptos erróneos
Uno de los errores más comunes al diseñar sistemas de deshumidificación para cámaras climáticas es seleccionar el deshumidificador únicamente por el volumen de la cámara sin considerar la velocidad de cambio de los parámetros. Esto conduce a una capacidad insuficiente en regímenes transitorios y a la imposibilidad de alcanzar los parámetros establecidos en el tiempo previsto.
Otro error típico es utilizar deshumidificación por condensación para cámaras de baja temperatura que operan por debajo de cero grados. En tales condiciones, el condensado se congela en el evaporador, bloqueando el intercambio térmico y reduciendo la eficiencia del sistema.
Muchos ingenieros ignoran el cambio de la humedad relativa cuando cambia la temperatura incluso con un contenido de humedad absoluta constante. Esto conduce a cálculos incorrectos y a la imposibilidad de alcanzar los parámetros requeridos.
El cálculo de la capacidad sin considerar el tiempo de respuesta del sistema también es un error común que provoca sobrerregulación y oscilaciones de los parámetros.
Conclusiones
La selección y el cálculo del sistema de deshumidificación para cámaras climáticas de ensayo es una tarea de ingeniería compleja que requiere una comprensión profunda de los procesos físicos y la consideración de numerosos factores técnicos. Los parámetros clave para la elección son el rango de temperaturas de operación, el punto de rocío requerido y la velocidad de cambio de régimen.
Debe prestarse especial atención a los procesos psicrométricos con temperatura variable, ya que la humedad relativa cambia incluso con un contenido de humedad absoluta constante. También es crucial tener en cuenta todos los componentes de inercia del sistema para garantizar la precisión especificada en regímenes dinámicos.
Para un amplio rango de temperaturas, la solución óptima son los sistemas combinados con posibilidad de conmutación entre los modos por condensación y por adsorción. Estos sistemas permiten garantizar los parámetros necesarios en todo el rango operativo de la cámara climática.
Cada sistema de deshumidificación para cámaras climáticas de ensayo requiere un cálculo individual que tenga en cuenta los requisitos específicos de las normas de ensayo y la particularidad de la aplicación. Solo este enfoque garantiza alcanzar la precisión y la estabilidad de parámetros previstas.
