rubén Álvarez fernández proyecto fin de...

ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN SOLAR MEDIANTE SISTEMAS EVAPORATIVOS CON DESECANTES

Rubén Álvarez Fernández

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Departamento de Ingeniería Energética

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2015

Proyecto Fin de Grado

Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales

Estudio de los sistemas de refrigeración solar

mediante sistemas evaporativos con desecantes

Autor: Rubén Álvarez Fernández

Tutor: José Julio Guerra Macho

GMTS Grupo de Motores Térmicos

de Sevilla



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Proyecto Fin de Grado

Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales

Estudio de los sistemas de refrigeración solar

mediante sistemas evaporativos con desecantes

Autor:


Tutor:

José Julio Guerra Macho

Catedrático

Departamento de Ingeniería Energética

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2015



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Proyecto Fin de Carrera: Estudio de los sistemas de refrigeración solar mediante sistemas

evaporativos con desecantes

Autor: Rubén Álvarez Fernández Tutor: José Julio Guerra Macho

El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificación de:

Sevilla, 2015

El Secretario del Tribunal



Página 4

A mi familia

A mis profesores



Página 5

Agradecimientos

Agradecer primeramente a todo el departamento de Ingeniería Energética por el

apoyo recibido durante estos años, y en el desarrollo de este proyecto. Especialmente a José

Guerra, por acompañarme en todo momento durante el proyecto, incluso durante la estancia

que he realizado en Brasil y que sin su ayuda no habría sido posible. Nombrar también al

profesor Juan Francisco Coronel, que desde un principio se puso a disposición para ayudarme

en todo lo posible.

Agradecimiento a mi familia, que lo es todo para mí, a mis amigos que siempre han

estado conmigo, y a María que me acogió desde el primer día que comencé esta andadura, y

que, ahora que se acerca a su fin, sigue al lado mía como el primer día.



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Resumen

Se analiza en este proyecto los sistemas de climatización solar, en especial los sistemas

de refrigeración evaporativo con desecantes, como una alternativa a los sistemas

tradicionales, para ello comenzamos una introducción acerca del estado actual de la energía, la

problemática existente y las perspectivas en los años venideros. Se sigue con una presentación

de los sistemas de producción de frio, incluyendo los que no disponen de aporte de energía

solar y se acaba con una revisión bibliográfica sobre el tema incluyendo los artículos que se

han usado para la construcción de este trabajo.

Se centra la atención posteriormente en la climatización solar, donde se describen

primeramente los sistemas de captación de energía solar, como tema introductorio a su

aplicación en los sistemas de climatización y se desarrolla después los sistemas de producción

de frio con climatización solar, donde se desarrolla todos los sistemas y se realiza una breve

introducción de los sistemas de refrigeración evaporativa con desecantes.

Es ya en la última parte del proyecto donde se desarrollan este último tipo de

sistemas, se describe el ciclo básico de estos sistemas así como cada uno de los elementos que

los componen, las distintas configuraciones que adoptan los sistemas de refrigeración

evaporativa con desecantes en función del direccionamiento de los distintos flujos de aire, y la

combinación de este tipo de sistemas con otros sistemas tradicionales o de climatización solar.

Se finaliza realizando un análisis de sensibilidad de los sistemas y un análisis comparativo de

los sistemas, temas que centran gran parte del apartado y en los que se ponen de relieve la

necesidad de realizar un completo estudio de estas instalaciones antes de su instalación,

acabando con un análisis económico y las conclusiones.



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MOTIVACIÓN

"Salvaguardar el medio ambiente.... Es un principio

rector de todo nuestro trabajo en el apoyo del desarrollo

sostenible; es un componente esencial en la erradicación

de la pobreza y uno de los cimientos de la paz".

Kofi Annan

a situación socio-económica vivida a nivel global, y muy especialmente la que hemos

tenido en España, la creciente preocupación que existe por el aumento de la demanda

energética, y el siempre presente problema climático, me han motivado a un

acercamiento hacia las llamadas “energías verdes” o renovables, hacia las que se encaminan

las directrices europeas, y que suponen un beneficio tanto energético como social.

Por ello, he decidido trabajar en la propuesta que me hizo mi tutor, el estudio de los sistemas

de enfriamiento evaporativo con desecantes, sistemas respetuosos con el medio ambiente,

que aprovechan la energía renovable, y que suponen una alternativa a los sistemas de

compresión habituales.

Así espero que este estudio sirva para ahondar en una tecnología cuya implantación no

está extendida, pero que a medio y largo plazo puede suponer una alternativa viable a los

sistemas tradicionales, y que pueden aportar su pequeño grano de arena para tener un

desarrollo más sostenible.

L



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Índice

AGRADECIMIENTOS………………………………………………………………………………………………………………….5

RESUMEN………………..……………………………………………………………………………………………………………….6

MOTIVACIÓN……………………………………………………………………………………………………………………………7

ÍNDICE………………………………………………………………………………………………………………………………………8

ÍNDICE DE FIGURAS…………………………………………………………………………………………………………………11

ÍNDICE DE TABLAS…………………………………………………………………………………………………………………..16

1. INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………………………..……………………..17

1.1. OBJETIVO Y CONTENIDO DEL PROYECTO………………………………………………………………....17

1.2. REVISIÓN DEL ESTADO ENERGÉTICO………………………………………………..........................18

1.2.1. Tendencia de los mercados en los últimos años……………………...……………………….19

1.2.2. Predicción de los mercados en los años futuros…………….......………….............20

1.3. SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE FRIO…………………………………………………………................21

1.3.1. Basados en medios químicos………………………………………………………………..............22

1.3.2. Basados en medios físicos…………………………………………………………………….............23

1.3.2.1. Cambios de estado…………………………………………………………………...........23

1.3.2.2. Expansión de gases…………………………………………………………………………...27

1.3.2.3. Efectos especiales……………………………………………………………………………..29

1.4. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA………………………………………………………………………………………...31

1.4.1. Revisión bibliográfica de la tecnología de refrigeración con desecantes............31

2. CLIMATIZACIÓN SOLAR…………………………………………………………………………………………………….36

2.1. SISTEMAS DE CAPTACIÓN SOLAR………………………………………………………………………………36

2.1.1. Captadores solares planos……………………………………………………………………......…….37

2.1.1.1. Captadores solares de aire………………………………………………......………….39

2.1.2. Captadores solares de tubos de vacío………………………………………………................41

2.1.2.1. Captadores de vacío de flujo directo………………………...........................41

2.1.2.2. Captadores tipo CPC…………………………..............………...........................42

2.1.2.3. Captadores de tubo de vacío heat pipe……………………………………………..42

2.1.3. Captadores tipo cilindro-parabólicos……………………………………………….................43

2.1.4. Rendimiento de los captadores………………………………………………………………………..44

2.2. SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE FRIO CON ENERGÍA SOLAR………………………………….....46

2.2.1. Sistema de ciclo cerrado o de agua enfriada………………………………….…………….....46



Página 9

2.2.1.1. Refrigeración por absorción…………………………..………………….................47

2.2.1.2. Refrigeración por adsorción……………….................………………………………51

2.2.2. Sistema de ciclo abierto………...........……………………........…………........…………........54

3. SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO CON DESECANTES………………………………........56

3.1. Introducción…………………………………………...........…………………………………………...............56

3.2. Descripción del ciclo y los distintos componentes……………………………………………….......57

3.2.1. Rueda desecante……………………………………………………………………………...................58

3.2.2. Rueda de recuperación………………………………………………………...........………….........63

3.2.3. Enfriador evaporativo……………………………………………………………………………….........64

3.2.4. Calentador…………………………………………………………….............................................68

3.3. Clasificación y descripción de las distintas configuraciones……………………………….........69

3.3.1. Desecantes líquidos……………………………………………….........………………………………...70

3.3.2. Desecantes sólidos………………………………………………………………………….............…...71

3.3.2.1. Ciclo básico y sus modificaciones………………………………….........……........72

3.3.2.2. Regeneración por etapas……………………………………………….....................79

3.3.2.3. Deshumidificación isotérmica………………………………………………..............80

3.4. Sistemas de acondicionamiento de aire híbridos………………….......…………………….........81

3.5. Instalaciones mediante sistemas de enfriamiento evaporativo con desecantes..........83

3.6. Influencia de las variables de operación y condiciones ambiente................................86

3.6.1. Velocidad de rotación…………………………………………..................................…………..86

3.6.2. Contenido de vapor de agua del aire ambiente…………………….......…………………...88

3.6.3. Relación de flujo………………………………………..........................................................89

3.6.4. Temperatura de regeneración…………………………………………..................................90

3.6.5. Caudal de aire tratado…………………………...........…………..........………………………......92

3.6.6. Temperatura del aire exterior……………………………………………….............................92

3.7. Análisis comparativo………………………………………………....................................................93

3.7.1. “Performance investigation of solid desiccant evaporative cooling system

configurations in different climatic zones” ………………………......………………………….94

3.7.2. “Performance enhancement of a desiccant evaporative cooling system using

direct/indirect evaporative cooler”……................................................................110

3.8. Análisis económico…………………………..........................................................................116

3.8.1. “Performance comparison between a solar driven rotary desiccant cooling system

and conventional vapor compression system (performance study of desiccant

cooling)” ………………………………………………………....................................................116

3.8.2. “Thermo-economic performance of a solar membrane liquid desiccant air

conditioning system” ..........................................................................................121



Página 10

4. RESUMEN Y CONCLUSIONES...............................................................................................124

5. BIBLIOGRAFIA………………………………..............…………….........................................................127

6. ANEXOS……………………………………………………………………………................................................129



Página 11

Índice de Figuras Figura 1.1. Demanda de equipos de acondicionamiento de aire………..........................................................................18

Figura 1.2. La energía que gastamos……………………………………………………………………………..................................…………18

Figura 1.3. Demanda energética de frio. “Aiguasol”..................................………………………………………………………….......19

Figura 1.4. Evolución del consumo de energía primaria en el mundo...……………………………………..................................20

Figura 1.5. Generación de energía eléctrica 2000-2040…………………………………………………………………………………...........20

Figura 1.6. Previsión de la evolución de la demanda de refrigeración…………………………………………………………………......21

Figura 1.7.Contribución del sector edificación al objetivo de ahorro de energía..........................................................21

Figura 1.8. Evolución de los sistemas de producción de frio hasta 1930.......................................................................22

Figura 1.9. Procedimientos de producción de frio………………………………………………………………………………………...............23

Figura 1.10. Detalle de mezclas refrigerantes……………………………………………………………………………………….....................24

Figura 1.11. Ciclo compresión simple………………………………………………………………………………………..................................25

Figura 1.12. Clasificación de refrigerantes………………………………………………………………………………………..........................25

Figura 1.13. Diagrama p-h sistema frigorífico de una etapa por compresión mecánica..............................................26

Figura 1.14. Refrigeración con eyector de vapor……………………………………………………………………………………….................27

Figura 1.15. Refrigeración máquina de aire………………………………………………………………………………………........................28

Figura 1.16. Refrigeración efecto Joule-Thomson………………………………………………………………………………………...............28

Figura 1.17. Refrigeración por desmagnetización adiabática……………………………………………………………………………........30

Figura 1.18. Refrigeración mediante efecto magnetotérmico-eléctrico......................................................................30

Figura 1.19. Refrigeración mediante efecto vortex……………………………………………………………………………………….............31

Figura 1.20. Sistema de aire acondicionado solar por Dunkle…………………………………………………………………………….......32

Figura 1.21. Evolución del número de artículos en la plataforma sciencedirect sobre refrigeración solar..................33

Figura 1.22. Evolución del número de artículos en la plataforma sciencedirect sobre las aplicaciones de desecantes

en aire acondicionado……………………………………………………………………………………….........................................................33

Figura 2.1. Tipos de paneles según la tecnología………………………………………………………………………………………................37

Figura 2.2. Captador solar plano……………………………………………………………………………………….........................................37

Figura 2.3. Captador solar plano……………………………………………………………………………………….........................................38

Figura 2.4. Caracteristicas de una superficie selectiva absorbente……………………………………………………………………........39

Figura 2.5. Variación de los rendimientos………………………………………………………………………………………...........................40

Figura 2.6. Captador solar de aire……………………………………………………………………………………….......................................40



Página 12

Figura 2.7. Tubo de vacío con flujo directo. Izquierda, concéntricos. Derecha, separados...........................................41

Figura 2.8. Tubo de vacío tipo Sydney con refelector………………………………………………………………………………………..........42

Figura 2.9. Tubo de vacío tipo heat pipe……………………………………………………………………………………….............................43

Figura 2.10. Detalle distitntos tipos de tubos de calor………………………………………………………………………………………........43

Figura 2.11. Rendimiento instantáneo captadores……………………………………………………………………………………….............44

Figura 2.12. Curvas de eficiencia de captadores. Izquierda 800 w/m2. Derecha 400 w/m

2.........................................45

Figura 2.13. Detalle de captadores para sistemas DEC. ……………………………………………………………………………………….....46

Figura 2.14. Tecnologías de aire acondicionado solar más comunes.....……………………………………………………………………47

Figura 2.15. Ciclo de refrigeración mediante maquina de absorción ideal...................................................................48

Figura 2.16. Maquina de absorción simple efecto………………………………………………………………………………………..............49

Figura 2.17. Maquina de absorción de doble efecto... ……………………………………………………………………………………….......50

Figura 2.18. Comparativa COP distintos sistemas de refrigeración.....………………………………………………………………………51

Figura 2.19. Esquema máquina adsorción..………………………………………………………………………………………........................52

Figura 2.20. Comparación COP absorción adsorción………………………………………………………………………………………..........53

Figura 2.21. Características principales de las enfriadoras de absorción/adsorción……………………………………………......53

Figura 2.22. Sistema de refrigeración con rueda desecante………………………………………………………………........................54

Figura 2.23. Esquema de refrigeración calefacción con desecantes.............................................................................55

Figura 3.1. Temperatura bulbo húmedo Pozuelo de Alarcón………………………………………………………………………………......56

Figura 3.2. Ciclo ventilado………………………………………………………………………………………...................................................57

Figura 3.3. Ciclo ventilado....………………………………………………………………………………………...............................................58

Figura 3.4. Esquema rueda desecante..………………………………………………………………………………………..............................59

Figura 3.5. Procesos de deshumidificación y humidificación…………………………………………………………………………............59

Figura 3.6. Detalle de estructura soporte de desecante………………………………………………………………………………………......60

Figura 3.7. Clasificación de desecantes sólidos………………………………………………………………………………………...................60

Figura 3.8. Comparación de adsorción isoterma……………………………………………………………………………………….................61

Figura 3.9. Proceso de deshumidificación y regeneración de desecante……………………………………………………………........61

Figura 3.10. Adsorción isoterma de agua de compuesto de silica gel con diferente tamaño de poro a 40ºC..............62

Figura 3.11.Adsorción de agua de aire atmosférico a 25ºC………………………………………………………………………………........63

Figura 3.12.Recuperador rotativo……………………………………………………………………………………….......................................64

Figura 3.13.Posibles evoluciones psicrométricas del agua………………………………………………………………………………….......65

Figura 3.14.Enfriador evaporativo directo………………………………………………………………………………………..........................65



Página 13

Figura 3.15.Enfriador evaporativo directo de paneles evaporativos……………………………………………………………………......66

Figura 3.16.Enfriador evaporativo indirecto……………………………………………………………………………………….......................67

Figura 3.17. Enfriador evaporativo indirecto con intercambiador tubular………………………………………………………..........67

Figura 3.18. Enfriador evaporativo indirecto/directo………………………………………………………………………………………..........68

Figura 3.19. Calentador alimentado por energía solar……………………………………………………………………………………….......69

Figura 3.20. Necesidades de energía entregadas………………………………………………………………………………………...............69

Figura 3.21. Evolución psicrométrica de distintos sistemas de desecación..................................................................70

Figura 3.22. Sistema de refrigeración evaporativa basado en desecante líquido........................................................71

Figura 3.23. Ciclo de Pennington……………………………………………………………………………………….........................................71

Figura 3.24. Ciclo ventilado modificado………………………………………………………………………………………..............................72

Figura 3.25. Ciclo de recirculación……………………………………………………………………………………….......................................73

Figura 3.26. Ciclo de recirculación ventilado……………………………………………………………………………………….......................74

Figura 3.27. Ciclo de recirculación ventilado……………………………………………………………………………………….......................74

Figura 3.28. Ciclo Dunkle……………………………………………………………………………………….....................................................75

Figura 3.29. Ciclo Dunkle ventilado……………………………………………………………………………………….....................................76

Figura 3.30. Ciclo DINC………………………………………………………………………………………........................................................77

Figura 3.31. Ciclo SENS………………………………………………………………………………………........................................................78

Figura 3.32. Ciclo REVERS………………………………………………………………………………………....................................................79

Figura 3.33. Ciclo regeneración por etapas……………………………………………………………………………………….........................79

Figura 3.34. Ciclo ideal deshumidificación por etapas………………………………………………………………………………………........80

Figura 3.35. Ciclo deshumidificación por etapas……………………………………………………………………………………….................81

Figura 3.36. Ciclo híbrido……………………………………………………………………………………….....................................................82



Figura 3.39. Distribución de las instalaciones de frío solar de pequeña y gran potencia por sectores en Europa.......84

Figura 3.40. Esquema de la instalación………………………………………………………………………………………...............................85

Figura 3.41. Esquema de la instalación Pompeu Fabra……………………………………………………………………………………….......85

Figura 3.42. Comparación de la capacidad de deshumidificación de rueda con gel de sílice, y cloruro de litio............87

Figura 3.43. Comparación el rendimiento de rueda con gel de sílice(H-St4,H-St5), y cloruro de litio (K.St1) ...............87

Figura 3.44. Comparación de la capacidad de deshumidificación de la rueda con gel de sílice según el contenido de

humedad.…….…………………………………………………………………………………………………………………………………………………..........88



Página 14

Figura 3.45. Comparación del rendimiento de deshumidificación de la rueda con gel de sílice según el contenido de

humedad……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………......89

Figura 3.46. Comparación del rendimiento del ciclo, la capacidad frigorífica (CC) y la potencia de regeneración.......89

Figura 3.47. Capacidad de deshumidificación de la rueda con gel de sílice según la relación de caudales..................90

Figura 3.48. Capacidad de deshumidificación de la rueda con gel de sílice según la temperatura de regeneración....91

Figura 3.49. Variación del COP respecto al caudal de aire y la temperatura de regeneración.....................................91

Figura 3.50. Variación del caudal de aire al aumenta la temperatura para distintas condiciones de humedad..........92

Figura 3.51. Comparación del rendimiento del ciclo (COP), la capacidad frigorífica (CC) y la potencia de regeneración

(Preg) respecto a la temperatura exterior....………………………………………………………………………………………........................93

Figura 3.52. Clasificación climática de Köppen………………………………………………………………………………………...................94

Figura 3.53. Condiciones climáticas para los días de diseño………………………………………………………………........................95

Figura 3.54. Condiciones climáticas ciudades seleccionadas………………………………………………………………………...............95

Figura 3.55. Esquema del ciclo ventilado………………………………………………………………………………………............................96

Figura 3.56. Simulación Viena para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclos Ventilado

recirculación y Dunkle. ……………………………………………………………………………………….......................................................98

Figura 3.57. Simulación Viena para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclo recirculación

ventilado………………………………………………………………………………………..…………………………………………………….....................98

Figura 3.58. Simulación Viena para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclo Dunkle ventilado..99

Figura 3.59. Simulación Karachi para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclos Ventilado

recirculación y Dunkle……………………………………………………………………………………….......................................................100

Figura 3.60. Simulación Karachi para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclo recirculación

ventilado………………………………………………………………………………………...........................................................................101

Figura 3.61. Simulación Karachi para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclo Dunkle

ventilado………………………………………………………………………………………...........................................................................102

Figura 3.62. Simulación São Paulo para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclos Ventilado

recirculación y Dunkle……………….………………………………………………………………………......................................................103

Figura 3.63. Simulación São Paulo para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclo recirculación

ventilado………………………………………………………………………………………...........................................................................103

Figura 3.64. Simulación São Paulo para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclo Dunkle

ventilado………………………………………………………………………………………...........................................................................104

Figura 3.65. Simulación Shanghai para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclos Ventilado


Figura 3.66. Simulación Shanghai para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclo recirculación

ventilado………………………………………………………………………………………...........................................................................106

Figura 3.67. Simulación São Paulo para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclo Dunkle

ventilado………………………………………………………………………………………..........................................................................107



Página 15

Figura 3.68. Simulación Adelaida para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclos Ventilado


Figura 3.69. Simulación Adelaida para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclo recirculación

ventilado.………………………………………………………………………………………..........................................................................108

Figura 3.70. Simulación Adelaida para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclo Dunkle

ventilado……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………....109

Figura 3.71. Distintas configuraciones propuestas………………………………………………………………………………………...........111

Figura 3.72. Variación del COP, y la capacidad de enfriamento en función de la temperatura ambiente..................112

Figura 3.73. Variación del aire de procesamiento en función de la temperaura del aire ambiente............................112

3.74. Variación de la energía de regeneración en función de la temperaura del aire ambiente.................................113

Figura 3.75. Variación del COP, y la capacidad de enfriamento en función de la temperatura ambiente..................114

Figura 3.76. Variación de la energía de regeneración en función de la temperaura del aire ambiente......................114

Figura 3.77. Variación del aire de procesamiento para configuraciones; convencional y III.......................................114

Figura 3.78. COP eléctrico según configuraciones................................……………………………………………………………………115

Figura 3.79. Sistema enfriamiento evaporativo con desecantes.................................................................................116

Figura 3.80. Sistema compresión mecánica………………………………………………………………………………………......................117

Figura 3.81. Simulación sistemas en Berlín……………………………………………………………………………………….......................118

Figura 3.82. Simulación sistemas en Shanghai………………………………………………………………………………………..................120

Figura 3.83. (a) Costes de operación, (b) costes inicial………………………………………………………………………………………......121

Figura 3.84. (a) Costes de ciclo de vida, (b) Periodo de retorno (c) Emisiones de CO2................................................122

Figura 3.85. Rendimiento y costes de diferentes opciones tecnológicas de captación solar y refrigeración para

sistemas de refrigeración solar……………………………………………………………………………………….........................................122

Figura a.1. Sistema de refrigeración con desecante líquido…………………………………………………………………………….........130

Figura a.2. Comparación de sistemas desecante sólido y líquidos…………………………………………………………………….......131

Figura a.3. Comparación de ruedas desecantes………………………………………………………………………………………................132



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Índice de tablas Tabla 1. Resultados simulación ciudad de Viena……………………………………………………………………………………….................99

Tabla 2. Resultados simulación ciudad de Karachi………………………………………………………………………………………............101

Tabla 3. Resultados simulación ciudad de São Paulo………………………………………………………………………………………........104

Tabla 4. Resultados simulación ciudad de Shanghai……………………………………………………………………………………….........107

Tabla 5. Resultados simulación ciudad de Adelaida………………………………………………………………………………………..........109

Tabla 6. Costes de sistemas Berlín ………………………………………………………………………………………....................................118

Tabla 7. Costes de sistemas Shanghai………………………………………………………………………………………...............................119



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1. INTRODUCCIÓN

En este primer capítulo se realizará primeramente una contextualización de la energía a

través de un breve repaso de su evolución en los últimos años, así como de la tendencia de la

demanda en los años futuros. Seguidamente se realizará una revisión del estado de la

tecnología, atendiendo a los artículos científicos más destacados de los últimos años, así como

un breve repaso a algunas instalaciones en las que ya se ha puesto en marcha el sistema de

enfriamiento evaporativo con desecantes de una manera satisfactoria y para finalizar se

detallará el contenido del proyecto.

1.1. OBJETIVO Y CONTENIDO DEL PROYECTO

Este proyecto se enfoca hacia la presentación de modelos alternativos, y más

sostenibles, para los sistemas de climatización. Buscando poner de relieve, principalmente, los

sistemas de enfriamiento evaporativo con desecantes, con la esperanza de que a través de la

difusión de este tipo de sistemas se sienten las bases para que a medio y largo plazo este tipo

de sistemas se complemente o incluso puedan llegar a sustituir a los sistemas convencionales.

Para ello, este proyecto se apoyará en tres apartados principales:

- La primera parte de esta división es el apartado “INTRODUCCIÓN”, en la que se

introduce al problema actual de la energía; la alta demanda eléctrica existente en la

actualidad, y la tendencia al aumento en este sentido, y la problemática climática que ocasiona

esta alta demanda. Asimismo se realizara una revisión de los estudios más relevantes llevados

a cabo sobre este tema hasta la actualidad, y se realiza una revisión de los distintos sistemas

de refrigeración en el estado del arte.

- En el segundo gran bloque, “CLIMATIZACIÓN SOLAR”, es el apartado central de este

proyecto, en el se comienza hablando sobre los captadores solares, ya que la clave de los

temas que estamos tratando es el aprovechamiento de las energías renovables para conseguir

la climatización, y es necesario entender los distintos métodos de captar esa energía.

Seguidamente se presentan los sistemas de producción de frío a partir de la energía solar, para

acabar centrándonos en los sistemas de enfriamiento evaporativo con desecantes, que son los

que centran este proyecto, en este apartado vamos a desarrollar en profundidad este tipo de

sistemas, desarrollando sus elementos, las variables de operación que los afectan, y

comparando distintas configuraciones de estos sistemas, buscando las diferencias que se

producen entre ellas y los factores que más afectan al rendimiento del ciclo. Por último vamos

a acabar realizando un breve análisis económico de estos sistemas.

- El tercer apartado “CONCLUSIONES”, se hará una reflexión sobre los sistemas

estudiados en el apartado anterior, buscando la disposición más adecuada, y dando una visión

general sobre la posibilidad de aplicación de este sistema.

1.2. REVISIÓN DEL ESTADO ENERGÉTICO

Indudablemente la energía y todos los servicios asociados a ella son un factor clave

para el desarrollo de las naciones, y su acceso contribuye al bienestar de la población. La cada



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vez más constante búsqueda del llamado “confort térmico” existente en la sociedad actual

está suponiendo un aumento en la demanda de refrigeración y se estima que en los próximos

años se seguirá esta misma tendencia como se puede ver en la figura 1.1.

Figura 1.1. Demanda de equipos de acondicionamiento de aire. “Renewable and Sustainable Energy Reviews”

Los sistemas de refrigeración suponen un componente importante en el gasto

energético tanto en hogares, figura 1.2., como en sectores industriales, en torno al 50% de la

energía primaria consumida por los países de la OCDE corresponde al sector residencial y

terciario, y de la energía que es consumida por los edificios un 50% se destina en exclusiva

para el acondicionamiento del aire exterior, por lo que se torna importante la elección de los

sistemas de acondicionamiento de aire, a fin de:

- Controlar la demanda de electricidad

- Ayudar al objetivo de reducir las emisiones de CO2

-

Figura 1.2. La energía que gastamos. “Argem”

La energía supone cada vez un tema de mayor preocupación en la sociedad actual. El

aumento de la demanda energética, el cambio climático, y el agotamiento de los combustibles

fósiles, son temas de preocupación para el común de los ciudadanos que ven como la



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fluctuación del precio de los hidrocarburos, las sequías o la reducción de la energía eólica

generada, suponen un aumento en sus facturas eléctricas o en el precio de los combustibles.

Asimismo cada vez existe una mayor concienciación sobre los problemas climáticos. El uso de

las fuentes de energías no renovables, el aumento de las emisiones de gases contaminantes, la

mayor demanda de energía eléctrica, y el uso de algunos tipos de refrigerantes que pueden ser

perjudiciales para el medio ambiente, están cada vez peor considerados, y existe cada vez una

tendencia mayor al uso de fuentes de energías renovables. Por ello el uso de los sistemas de

enfriamiento evaporativo mediante desecantes puede ser una opción a tener en cuenta,

siendo además el aprovechamiento de la energía solar un incentivo para la utilización de este

tipo de sistemas, que pueden suponer una ventaja en los siguientes aspectos:

- Minimizan el consumo eléctrico respecto a los sistemas convencionales.

- Se produce coincidencia entre la máxima producción solar y la máxima demanda

energética de frío.

Figura 1.3. Demanda energética de frio. “Aiguasol”

- Permiten una reducción de emisiones de CO2 y de consumo de energía primaria.

- Permiten una reducción en la tarifa energética global y en especial, por la reducción

del consumo en horas de tarifa punta, como puede ser el mediodía de verano.

1.2.1. Tendencia de los mercados en los últimos años

A pesar del ajuste económico que se ha producido en los últimos años,

especialmente en los países de Europa (en los cuales ha descendido la demanda

energética), la tendencia global ha sido el aumento de la demanda energética

requerida, como se puede ver en la figura 1.4. El empuje de países de Asia, siendo los

máximos exponentes India y China, ha supuesto un aumento en el consumo de

energía.



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Figura 1.4. Evolución del consumo de energía primaria en el mundo. “ B.P Statistical Review of World Energy”

En España la tendencia ha sido descendente, siguiendo la tendencia desde el año 2008,

debido a la difícil situación económica del país, y la demanda de energía final 2013 fue en 4%

inferior que a la del año anterior, según “La energía en España 2013”. Por sectores esta

reducción se noto tanto en la industria como en la edificación. La demanda final de energía

eléctrica también sufrió un notable descenso por las causas mencionadas anteriormente,

siendo un 3.4% inferior en 2013 respecto a la del año anterior.

Figura 1.5. Generación de energía eléctrica 2000-2040. “Annual Energy Outlook 2015”

1.2.2. Predicción de los mercados en los años futuros

Existen diversos informes sobre la tendencia de la demanda energética en los

próximos años y hasta el año 2040, como recogen estos informes, entre ellos los de la Energy

Information Administration, en su informe “Annual Energy Outlook 2015”, se prevé un

aumento progresivo de la demanda de la energía, especialmente en Asia central y America del

Sur. Asimismo se espera un aumento de la producción de energía eléctrica donde las energías

renovables aumentaran su aportación a la generación global de este tipo de energía, lo cual

confirma la relevancia que poco a poco están tomando este tipo de tecnologías en el

panorama de la generación, como se recoge en la figura 1.5. Dentro de estas previsiones de

aumento de la demanda, tenemos que hacer especial hincapié en el tema que nos concierne,

que es la refrigeración, la búsqueda del confort llevará a que aumente de forma muy



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importante el requerimiento de este tipo de sistemas, y se estima que seguirá la siguiente

evolución en los próximos años:

Figura 1.6. Previsión de la evolución de la demanda de refrigeración. “Solar Heat worldwide”

Figura 1.7.Contribución del sector edificación al objetivo de ahorro de energía.” Plan nacional de acción de eficiencia

energética 2014-2020”



Página 22

1.3. SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE FRIO

Ya desde tiempos prehistóricos, el hombre guardaba los animales entre el hielo para

conservarlos, esto pone de relieve la gran importancia que para la humanidad supone el poder

disponer de frío. A partir del siglo XIX el hombre puso una gran voluntad para conseguir

procesos de producción de frio, que le son beneficiosos, tanto para usos agroalimentarios,

como para usos residenciales, y como se puede observar en la figura 1.8.

Figura 1.8. Evolución de los sistemas de producción de frio hasta 1930. “Enrique Torrella. UPV.”

Producir frio o refrigerar, consiste en la extracción de calor de un determinado medio, y el

mantenimiento de la temperatura conseguida, que es inferior a la del ambiente. Este tipo de

tecnología tiene un largo tiempo de desarrollo, aunque sigue actualmente ahondándose en

algunos campos, especialmente en los relacionados con las energías renovables

Para la producción de frío existen un gran número de métodos, que se basan en propiedades

muy diferentes, tanto físicas como químicas, estos métodos quedan recogidos en la figura 1.9.,

y serán desarrollados durante este capítulo.

1.3.1. Basados en medios químicos

Se basa en la producción de frio mediante la mezcla de ciertas sales con agua, gracias a

las propiedades de algunas de estas sales, que al disolverse con ciertos líquidos absorben calor

del medio que las rodea, produciendo un proceso endotérmico.

Estas mezclas, se llaman “mezclas frigoríficas”, y la temperatura que se alcanza con ellas

depende de la temperatura inicial del producto y del punto eutéctico de la mezcla. Los

procedimientos basados en este tipo de métodos tienen serias dificultades para emplearse en



Página 23

máquinas de operación cíclica, debido a la dificultad para volver la disolución al estado original

y reiniciar así el ciclo frigorífico.

1.3.2. Basados en medios físicos

Son aquellos en que la reducción de temperatura es debida a procesos físicos, como

puede ser la expansión de un fluido. Los métodos físicos se pueden clasificar a su vez en dos

grandes grupos, debidos a cambios de estado, y efectos especiales. *1

Figura 1.9. Procedimientos de producción de frio.” Samuel González. Escribd.”

1.3.2.1. Cambios de estado

Este tipo de procedimiento está basado en la producción de frio ocasionada por la

absorción del calor latente de cambio de fase por parte de la sustancia refrigerante. Los

posibles cambios de fases que se emplean son fusión, sublimación y vaporización, en los que la

sustancia que se emplea como refrigerante permanecerá a presión y temperaturas constantes.

Fusión

Un ejemplo clásico de este método es la fusión del hielo, ya que es el sólido con mayor

calor latente de fusión con 80 kcal/kg. El calor para la fusión lo absorbe del aire caliente, que

se enfría.



Página 24

Este proceso se suele limitar a procesos discontinuos no cíclicos, debido a la dificultad

en el trasiego de la sustancia refrigerante y la posible contaminación del sistema a refrigerar

por el líquido producido.

Otro ejemplo de fusión son las mezclas refrigerantes. Dado que la temperatura de fusión del

hielo está limitada, se buscan mezclas en la que la temperatura de congelación sea inferior,

como puede ser la mezcla de sal y agua, que puede bajar su temperatura de congelación hasta

-22ºC.

Figura 1.10. Detalle de mezclas refrigerantes.” Samuel González. Escribd.”

Sublimación

Se basa en el paso del solido a vapor, como ocurre en el caso del anhídrico carbónico,

que en condiciones de presión atmosférica, se sublima a una temperatura de -78.5ºC,

absorbiendo un calor de 138 kcal/kg. Este sistema tiene un alto poder de producción de frio,

pero resulta un sistema caro, así que suele limitarse también a procesos discontinuos no

cíclicos.

Vaporización

La evaporación de un líquido también se puede aprovechar ventajosamente para la

producción de frío, y es el método cíclico de producción de frío más usual. La absorción de

calor del sistema a refrigerar, se produce mediante la evaporación de un líquido refrigerante a

una temperatura baja. En los procesos cíclicos es necesario un aporte de energía externa para

recuperar el estado del fluido refrigerante. Dentro de este tipo de sistemas vamos a estudiar

cuatro sistemas, que son los más comúnmente utilizados:

A. Sistema de compresión mecánica simple

El ciclo de refrigeración por compresión mecánica de un fluido en fase gaseosa, es el

más utilizado y el que suele servir de ejemplo ilustrativo cuando se habla de refrigeración.

Generalmente, el compresor es accionado por un motor eléctrico, existiendo diversas

configuraciones en su acoplamiento.

En el ciclo de compresión, figura 1.11. se obtiene el efecto frigorífico aprovechando que el

fluido utilizado como refrigerante necesita obtener de su entorno el calor necesario para pasar



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del estado líquido al de vapor como consecuencia de ser introducido en un espacio donde la

presión es inferior a la que estaba sometido con anterioridad, cuando se encontraba en fase

líquida.

La temperatura de evaporación depende de la presión, pero todos los líquidos necesitan calor

para hervir así como, su vapor debe perder calor para volver al estado líquido. El refrigerante

es comprimido en el compresor y conducido hasta el condensador donde, al ser enfriado se

condensa cediendo calor al medio enfriador. Ya en fase líquida, el refrigerante, que continua a

la misma presión y temperatura, se dirige por la línea de líquido hacia la válvula de expansión

que reduce la presión al entrar dentro del evaporador donde hierve absorbiendo el calor de su

entorno, por lo tanto enfriándolo, para dirigirse finalmente a la boca de aspiración donde el

ciclo se inicia de nuevo. En determinadas condiciones se coloca un depósito de líquido entre el

condensador y la válvula de expansión para poder equilibrar los volúmenes de refrigerante. La

zona de alta presión se extiende desde la descarga del compresor hacia la válvula de

expansión, mientras que la de baja abarca el tramo comprendido desde la descarga de la

válvula de expansión hasta la boca de aspiración del compresor.

Figura 1.11. Ciclo compresión simple. ” www.fiscanet.com.ar.”

Los refrigerantes que se usan en este tipo de ciclos se pueden clasificar como

naturales (Amoniaco, anhídrido carbónico, hidrocarburos), y sintéticos (halogenados,

parcialmente halogenados, ecológicos), en la figura 1.12. se recogen los sintéticos:

Figura 1.12. Clasificación de refrigerantes.



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Finalmente es interesante mirar el diagrama p-h del ciclo, figura 1.13., para entender

termodinámicamente como varían las propiedades del refrigerante.

B. Absorción

Como el sistema de producción de frío mediante absorción se desarrollará en

apartados posteriores, solo se va a introducir una reseña histórica de este sistema y será en el

apartado 2.2.1.1. de este mismo proyecto donde se desarrolle el funcionamiento de esta

tecnología. Los antecedentes del ciclo de absorción pueden situarse en 1755, cuando se

consiguió producir una pequeña cantidad de hielo en una campana que se encontraba a baja

presión, y en años posteriores se fueron añadiendo mejoras a este sistema, por lo que es una

tecnología tan antigua como la compresión simple, solo que no ha tenido tanta expansión

debido en parte a los bajos rendimientos que se obtenían inicialmente. Fue finalmente

Ferdinand Carré, quién construye y comercializa la primera máquina de absorción, destinada

principalmente a la fabricación de hielo, utilizando amoniaco como refrigerante y agua como

absorbente maquina patentada finalmente en 1859.

Figura 1.13. Diagrama p-h sistema frigorífico de una etapa por compresión mecánica. “Pablo Mendez. wikipedia”

C. Adsorción

Al igual que con el sistema de absorción, este sistema será tratado en profundidad en

el apartado 2.2.1.2. de este proyecto, cuando hablemos de los sistemas que aprovechan la

energía solar, que es el tema en el que más encaminado va este proyecto, por lo que para

evitar redundancias, solo se realizará una breve reseña histórica. No es hasta 1925 en el que



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aparece la primera patente de una máquina de producción de frio con la mezcla silica gel-S02'.

Entre los años veinte y treinta del siglo XX se desarrolló la máquina de refrigeración por

adsorción. En 1927 la firma Copeland y la corporación americana Silica-Gel Corp. presentaron

una máquina de refrigeración por adsorción con silicagel, desplazada rápidamente por la

aplicación en los sistemas de refrigeración por compresión de los compuestos CFe

descubiertos en aquella época. Una de las razones más notables para su sustitución fue el

carácter intermitente de su funcionamiento.

En 1980 Jaques Chiral desarrolló un sistema experimental donde obtuvo alentadores

resultados prácticos con sistemas de adsorción y captadores solares. A principios de 1990

Critoph y otros desarrollaron un refrigerador alimentado por energía solar.*2

D. Eyección de vapor

La diferencia principal entre estos sistemas y los sistemas de compresión mecánica

tradicionales radica en la sustitución del compresor por un eyector, que consiste en un

conducto convergente-divergente, que aprovechan el efecto Venturi para aumentar la

velocidad del fluido, que puede alcanzar una velocidad de hasta 1500 m/s, lo que hace que al

abandonar el eyector se cree una depresión que arrastra los vapores producidos en el

evaporador. Su uso es complicado y no siempre es barato, por lo que está restringido.

Figura 1.14. Refrigeración con eyector de vapor. “Guía del frio solar. Comunidad de Madrid”

Este sistema se puede mejorar mediante la evaporación por etapas múltiples, que equivale al

efecto del calentamiento regenerativo, y que produce un proceso más beneficioso.*3

1.3.2.2. Expansión de gases

Dentro de los métodos de producción de frio basados en la expansión-compresión de gases

vamos a estudiar dos: Maquinas de aire, maquinas basadas en el efecto Joule-Thompsom.

Maquinas de aire

Su funcionamiento se basa en la propiedad que tienen los gases comprimidos, de

reducir su temperatura notoriamente, cuando son expandidos tras haber sido enfriados. Están



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compuestos esencialmente de un compresor, que es el encargado de comprimir los gases

aumentando su temperatura, un enfriador, que está compuesto generalmente por un

pulverizador de agua, y un evaporador, elemento que está situado generalmente en el local a

refrigerar.

Este tipo de sistemas necesita hacer circular masas de aire enorme, por lo que requiere

máquinas de gran tamaño, lo cual puede limitar su uso ya que hay que disponer del espacio

necesario para ellas.

Figura 1.15. Refrigeración máquina de aire. “Frio industrial y aire acondicionado. Universidad de Cantabria”

Efecto Joule-Thomson

El proceso de Joule-Thomson se basa en el paso de un gas, que se encuentra en un contenedor

a presión constante, a otro contenedor, que está a una presión también constante pero que es

menor que la inicial, a través de un estrangulamiento o una pared porosa.

Figura 1.16. Refrigeración efecto Joule-Thomson. “Practica 4. Efecto Joule-Thomson”



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El gas se expande adiabática e irreversiblemente en el paso de un contenedor a otro, y

se produce una disminución en su temperatura. Este tipo de procesos son una forma sencilla y

eficiente de bajar la temperatura de un gas usando un compresor y se utilizan en multitud de

máquinas destinadas al enfriamiento o licuación de gases.

1.3.2.3. Efectos especiales

Vamos a pasar ahora a explicar algunos sistemas de producción de frío especiales.

Vamos a desarrollar cuatro de estos distintos métodos, teniendo en cuenta que no son los

únicos, y que existen otros métodos alternativos, pero de mucha menor relevancia, y por tanto

menos usados, por lo que los pasaremos por alto.

Efecto termoeléctrico. Efecto Peltier

Los refrigeradores termoeléctricos se basan en el efecto termoeléctrico, que consiste

en la conversión directa de la diferencia de voltaje a diferencia de temperatura y al contrario.

Fue Jean Peltier en el 1834, quien descubrió este efecto, y que hace referencia a la creación de

una diferencia de temperatura debido a un voltaje eléctrico que sucede cuando una

corriente eléctrica se hace pasar por dos conductores o semiconductores conectados por dos

juntas, propiciando una transferencia de calor de una junta a la otra, una se enfría y la otra se

calienta. Para entender cómo es que este efecto enfría una junta es tener en cuenta que

cuando los electrones fluyen de una región de alta densidad a una de baja densidad, se

expanden (de la manera en que lo hace un gas ideal) y se enfría la región.

Este tipo de sistemas será útil en equipos donde necesitemos refrigerar y calentar a la

vez, ya que tienen un consumo alto de electricidad y su rendimiento es mucho menor, en

torno al 5-10% del refrigerador ideal, frente el 40-50% de los ciclo de compresión tradicionales.

La ventaja de este tipo de refrigeración es que no requiere de compresores o

refrigerantes, por lo que se evitan partes móviles y se disminuye el ruido provocado.

Efecto magnetotérmico

La refrigeración a partir del efecto magnetotérmico se basa en la desmagnetización adiabática

de una sal paramagnética, por la que esta sal sufre una ordenación forzada de sus moléculas,

proceso exotérmico, mientras que al desaparecer el campo magnético se produce el efecto

inverso, se reconstruye la ordenación molecular produciéndose una reacción endotérmica, que

produce una fuerte reducción de temperatura. La producción de frio ocurre por tanto en el

momento de la desmagnetización de la sal en un recinto adiabático, con el fin de minimizar la

transmisión de calor desde el entorno. *4

Las fases del proceso, son las siguientes:

- La sal se rodea de helio hirviendo a baja presión que enfría la sal ligeramente por

debajo de 1 °K.

- Se aplica un campo magnético a la sal por el cual se alinean las moléculas y se produce

calor. El helio absorbe el calor producido.

- El baño de helio se separa y la sal se aísla térmicamente.

https://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3n

https://es.wikipedia.org/wiki/Gas_ideal



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Finalmente, se aleja el campo magnético. Las moléculas se desalinean por sí mismas, con lo

que consumen energía. Esta energía la obtiene la sal haciendo descender su propia

temperatura hasta una fracción de grado por encima del cero absoluto.

Figura 1.17. Refrigeración por desmagnetización adiabática. “Frio industrial y aire acondicionado”

Efecto magnetotérmico-eléctrico

Este método de refrigeración se basa en el efecto Nernst , que consiste en someter a un

conductor o semiconductor a un gradiente de temperaturas, y un campo magnético

perpendicular al primero, generando un campo eléctrico y por tanto una corriente eléctrica

por el conductor.

Figura 1.18. Refrigeración mediante efecto magnetotérmico-eléctrico. “Frio industrial y aire acondicionado”

Este mismo efecto se puede crear inversamente para producir frio, provocando la corriente

eléctrica en el conductor en presencia del campo magnético., apareciendo lógicamente un

gradiente térmico, que provoca el calentamiento de una cara del conductor y el enfriamiento

de la otra. *4

Efecto vortex



Página 31

Este método de refrigeración se basa en efecto Ranque-Hilsch, que consiste en que si se

expande un gas circulante por un conducto y se le imprime una fuerte rotación, una parte del

flujo tiende a concentrarse en las paredes del conducto calentándose, y la otra se dirige hacia

el interior del tubo, expandiéndose y perdiendo energía cinética, y por tanto enfriándose.

El flujo caliente puede canalizarse por una válvula periférica por un extremo del conducto, y el

flujo frío hacia el otro, consiguiendo separar ambas corrientes. Este dispositivo se conoce con

el nombre de tubo de vórtice.*4

Figura 1.19. Refrigeración mediante efecto vortex. “Frio industrial y aire acondicionado”

1.4. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

Vamos a realizar una revisión de los artículos más relevantes de los últimos años de los

sistemas de refrigeración solar mediante enfriamiento evaporativo con desecantes. Cabe

destacar que este es un tema cada vez más investigado, como se mostrará mediante una

gráfica de la evolución del número de artículos de investigación en los últimos años en este

apartado, aunque hoy en día la información aun es limitada y casi siempre en inglés. Durante

el proyecto se irán desglosando diversos artículos de investigación, a partir de los cuales va a

tratar de entenderse un poco mejor como funcionan este tipo de sistemas de refrigeración y

de los cuales aquí introduciremos un resumen.

Para la búsqueda de artículos que tratasen el tema del acondicionamiento de aire mediante

sistemas de enfriamiento evaporativo con desecantes, en este proyecto nos vamos a apoyar

en diversas plataformas de divulgación científica como sciencedirect, o en el propio buscador

de archivos científicos de google. Asimismo, se han usado algunas de las guías elaboradas en

nuestro país acerca del frio solar como “Guía del Frio Solar: Ahorro y eficiencia energética con

refrigeración solar”, elaborada por la comunidad de Madrid.

1.4.1. Revisión bibliográfica de la tecnología de refrigeración con desecantes

Ha habido numerosos estudios que han tratado de poner de relieve los beneficios de

los desecantes en el acondicionamiento de aire con energía solar. Uno de los primeros fue (Löf,

1955) que propuso un sistema de aire acondicionado que usaba glicol de trietileno como

sustancia desecante y aprovechaba la energía solar. En este sistema, el glicol era rociado

eliminando la humedad de aire y luego se rociaba en una corriente de aire calentada con

energía solar que elimina el agua del glicol.



Página 32

Diez años más tarde, (Dunkle, 1965), mostro un ciclo basado en el gel de sílice para el

secado del aire, en el que el desecante es regenerado con aire caliente obtenido por energía

solar.

Figura 1.20. Sistema de aire acondicionado solar por Dunkle. “Solar energy engineering”

Ya a principio de los años 80s, la compañía American Solar King, fabricó y vendió un

sistema basado en la refrigeración solar para uso residencial que usaba una rueda con

desecante solido litio-cloro (Coellner, 1986).

Asimismo (Robison, 1983), realizo un test durante dos años de un sistema de

refrigeración solar. Los resultados demostraron la viabilidad técnica de este tipo de sistemas,

pero que no había interés en su comercialización.

Durante años posteriores, se continuo con el estudio de este tipo de sistemas y las

propiedades de sus componentes, (William A. Belding, 1996), realizó un estudio acerca de la

predicción del tiempo de vida útil de los distintos tipos de desecantes, realizando un test

acerca del número de ciclos de adsorción/regeneración, que el desecante era capaz de llevar a

cabo.

(S. Techajunta, 1999) realiza un estudio analítico para evaluar el rendimiento de un

sistema de enfriamiento evaporativo usando como desecante gel de sílice, en un clima

típicamente tropical con alta humedad, en el que el enfriamiento evaporativo es menos

eficiente ya que es difícil bajar la temperatura por este sistema hasta los niveles de impulsión

requeridos. Se llega a la conclusión de que la inclusión del sistema desecante en el ciclo hace el

sistema viable.

Ya metidos en el nuevo siglo, los estudios se multiplicaron, tanto en lo referido al uso

de nuevos desecantes, ya sean líquidos o sólidos, como a las distintas configuraciones usadas,

especialmente este aumento se da a partir del año 2010. En la página de artículos científicos

que me está sirviendo de guía para la realización de este proyecto, a partir de 2010 y hasta



Página 33

2015, el número de artículos relacionados con la refrigeración solar a través de desecantes se

multiplico en un factor de 3. Como se puede ver en las figuras 1.21. y 1.22., la evolución de los

últimos años sigue una tendencia ascendente en el número de artículos escritos sobre, las

aplicaciones de refrigeración solar, refrigeración evaporativa con desecantes, y desecantes en

aire acondicionado.

Figura 1.21. Evolución del número de artículos en la plataforma sciencedirect sobre refrigeración solar. “Elaboración

propia”

Figura 1.22. Evolución del número de artículos en la plataforma sciencedirect sobre las aplicaciones de desecantes

en aire acondicionado. “Elaboración propia”

Para este proyecto se han tomado los artículos más relevantes de los últimos años,

sobre todo los referidos a las distintas configuraciones y su eficiencia, y los vamos a resumir a

continuación:

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

20

05

20

06

20

07

20

08

20

09

20

10

20

11

20

12

20

13

20

14

20

15

solar cooling

solar cooling

0

100

200

300

400

500

600

700

20

05

20

06

20

07

20

08

20

09

20

10

20

11

20

12

20

13

20

14

20

15

desiccant air conditioning

desiccant evaporative cooling



Página 34

(M. Ali et al) en su artículo “Performance investigation of solid desiccant evaporative

cooling system configurations in different climatic zones”, analiza como varía el rendimiento de

distintas configuraciones para cinco condiciones climáticas distintas, introduciendo la variable

de las condiciones climáticas.

(D. La et al) en su artículo “Technical development of rotary desiccant dehumidification

and air conditioning: A review” se realiza una revisión de los distintos sistemas que se apoyan

en sustancias desecantes para su aplicación, tanto sistemas de refrigeración evaporativa como

sistemas híbridos. Asimismo estudia los avances en las sustancias desecantes en los últimos

tiempos.

(T.S. Ge et al.) en su artículo “Review on solar powered rotary desiccant wheel cooling

system” realizan una recopilación de los artículos que tratan el tema de la refrigeración solar,

especialmente los que se basan en los sistemas con rueda desecante, realiza una colecta de

datos describiendo los COP de los distintos sistemas y desearrollando la aplicación de sistemas

solares a los sistemas de refrigeración evaporativa con desecantes.

(M. MujahidRafique et al.) en su artículo “A review on desiccant based evaporative

cooling systems” se realiza una revisión de la refrigeración evaporativa con desecantes,

realizando una contextualización de la situación energética actual y una clasifición de las

distintas configuraciones posibles.

(E. Elgendy) en su artículo “Performance enhancement of a desiccant evaporative

cooling system using direct/indirect evaporative cooler”, realiza un estudio de cómo afecta a

un ciclo básico de refrigeración evaporativa con desecantes la inclusión de enfriadores

evaporativos directo/indirecto, comparando tres configuraciones posibles.

(U. Eicker et al.) en su artículo “Experimental investigations on desiccant wheels”,

realiza una investigación sobre como afectan diversos parámetros a los sistemas que cuentan

con ruedas desecantes, incluyendo la comparación entre varios modelos distintos de ruedas

desecantes.

(G. Panaras et al.) en su artículo “Solid desiccant air-conditioning systems. Design

parameters” realiza al igual que el trabajo anterior un análisis de sensibilidad para distintos

parámetros, comparando un ciclo ventilado con un ciclo de recirculación. Todo ello para

sistemas de rueda desecantes, con desecantes sólidos en aplicaciones de aire acondicionado.

(P. Bourdoukan et al.) en su artículo “Comparison between the conventional and

recirculation modes in desiccant cooling cycles and deriving critical efficiencies of

components” estudia los sistemas de refrigeración evaporativa, realizando la simulación de un

sistema, y viendo como le afectan la humedad y temperatura exterior al rendimiento y la

capacidad frigorífica del ciclo.

(A.H. Abdel-Salam et al.) en su artículo “Thermo-economic performance of a solar

membrane liquid desiccant air conditioning system” se realiza un estudio termoeconímico de

un sistema con membrana líquida desecante, evaluando en su análisis hasta ocho sistemas



Página 35

distintos, incluyendo sistemas tradicionales de compresión mecánica, y distintas

configuraciones, incluyendo el uso de intercambiadores de calor en el aire de retorno.

(T.S. Ge et al) en su artículo “Performance comparison between a solar driven rotary

desiccant cooling system and conventional vapor compression system (performance study of

desiccant cooling)”, realize una comparación de como actúa un mismo sistema de refrigeración

evaporativa con desecantes en Shanghai y en Berlín, realizando una simulación para un edificio

de oficinas, y desarrollando un análisis económico para ambas localizaciones, y comparando

con un sistema de compresión mecánica tradicional.

(X. Zheng et al.) en su artículo “Recent progress on desiccant materials for solid

desiccant cooling systems” realiza un estudio acerca de los nuevos materiales para sistemas

desecantes usados en acondicionamiento de aire. En este estudio clasifica los distintos

materiales, y compara las capacidades de absorción de la humedad de cada uno de ellos.



Página 36

2. CLIMATIZACIÓN SOLAR

El concepto de “climatización solar” hace referencia al aprovechamiento de la energía

solar para conseguir producir frio o calor, para usos de aire acondicionado. Hay que tener en

cuenta, como ya se puso de relieve con anterioridad, que cuando se produce la máxima

demanda diaria de climatización, hay disponible una gran cantidad de radiación solar, algo que

ocurre de manera muy significativa en España, y esta radiación solar se puede aprovechar en

procesos de generación térmica, usándola como foco caliente.

Este tipo de sistemas de climatización solar generan una serie de importantes beneficios, y ello

hace que cada vez su implementación se esté viendo favorecida por las nuevas normativas.

Entre estos beneficios cabe destacar:

- Se reducen las emisiones de CO2 a la atmósfera, así como el consumo de energía

primaria.

- Comparado con las tecnologías de compresión clásicas se reducen el nivel de ruidos y

emisiones aumentando el confort y disminuyendo la contaminación acústica.

- Disminución de la demanda de la red eléctrica, contribuyendo a una estabilización de

la red.

- Se disminuye el uso de refrigerantes, que en muchos casos son peligrosos para el

medio ambiente.

- Tiene adaptabilidad para ser combinado con otros sistemas de refrigeración.

Todos estos aspectos la hacen una tecnología atractiva, pero también genera una serie de

inconvenientes, que puede generar una incertidumbre en quien esté dispuesto a adaptar esta

tecnología:

- Depende de la radiación solar para la generación de frío.

- Su rendimiento es menor que las instalaciones tradicionales

- Tecnología que, aunque ampliamente probada, es relativamente nueva y no está

extendida su aplicación.

2.1. SISTEMAS DE CAPTACIÓN SOLAR

Antes de entrar a explicar los sistemas de producción de frio mediante energía solar,

vamos a realizar una introducción a los distintos sistemas que existen para la captación de la

energía proveniente del sol. Que exista una variedad en los sistemas de captación, se entiende

teniendo en cuenta que no todos los sistemas de producción de frio mediante energía solar

precisan de la misma temperatura de trabajo, por ejemplo, para los sistemas de trabajo con

desecantes el sistema precisará de temperaturas en torno a los 50ºC, las máquinas de

adsorción necesitarán en torno a 65ºC, y las máquinas de absorción, que trabajarán con una

temperatura en torno a los 85ºC. Ahora vamos a pasar a desarrollar los distintos sistemas de

captación solar posibles, que podemos encontrar en la figura 2.1., añadiendo a estos los

captadores solares de aire, caso particular de los captadores planos.



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Figura 2.1. Tipos de paneles según la tecnología. “Guía del frio solar. Comunidad de Madrid”

2.1.1. Captadores solares planos

Los captadores solares planos son los más sencillos dentro de este tipo de tecnologías

que se encargan de transformar la energía solar en calor. Su funcionamiento se basa en el

efecto invernadero, ya que el vidrio del captador es muy transparente a longitudes de onda

visibles, que es la de la radiación emitida por el sol. Esta radiación calienta el captador, que

suele estar formado por una serie de conductos por los que circula un fluido caloportador,

que se calienta y comienza a emitir en onda larga, infrarrojos, radiación a la cual el vidrio

resulta opaco, lo que favorece un calentamiento de la caja, por encima de la temperatura

exterior.

Figura 2.2. Captador solar plano. “Gasfriocalor.com”

En un captador solar plano se distinguen los siguientes elementos:



Página 38

- Cubierta vidrio: Como se ha comentado anteriormente es el elemento encargado de

retener el calor y de aislar el captador de las condiciones exteriores. El material de la cubierta

debe cumplir las siguientes características:

Transparente en la banda de radiación de onda corta y opacidad a la radiación térmica

de onda larga para evitar las pérdidas de calor.

Estabilidad en el tiempo, ya que debe resistir la intemperie.

Baja conductividad térmica para disminuir las pérdidas por este aspecto.

Baja adherencia a la suciedad.

Coeficiente bajo de dilatación en el rango de temperaturas de trabajo del captador.

Es por este motivo que se emplea vidrio en la cubierta en vez de plástico. El vidrio además

debe de estar templado para que su resistencia sea mayor.

- Absorbedor: Elemento en el cual se produce la conversión de la radiación solar en

energía térmica. El absorbedor está compuesto por una superficie plana a la cual se adhiere un

circuito por el cual circula el fluido caloportador. Las características ópticas del absorbedor

están definidas tanto por el tipo, forma y materiales, como por el tratamiento exterior. Este

tipo de tratamiento puede ser negro o selectivo. En el tratamiento negro se utilizan pinturas

negras que buscan aumentar la absorbancia del absorbedor y con el tratamiento selectivo, se

persigue disminuir la emisividad del absorbedor en longitudes de onda larga.

- Carcasa: Es el elemento, que constituyen el contenedor del resto de los componentes

del captador. En el diseño de la carcasa se debe tener en cuenta la resistencia mecánica

necesaria para las condiciones de uso y de montaje, así como que sea resistente a las

condiciones de intemperie.

Figura 2.3. Captador solar plano. “ingemecanica.com”

- Aislamiento: Es el encargado de reducir las pérdidas térmicas del equipo. Suele estar

constituido por espumas sintéticas (poliuretano, fibra de vidrio...). El aislamiento térmico se

coloca en las caras laterales y en el fondo de la carcasa disminuyendo así las pérdidas de calor



Página 39

por conducción. En la figura 2.3. se representan los distintos componentes de un captador

solar plano: *5

En un intento de controlar las pérdidas, los captadores han ido introduciendo una serie de

tecnologías, las cuales son:

Absorbedores de superficie selectiva: Uno de los mecanismos causantes de las

pérdidas en un captador solar son las pérdidas por radiación. Estas pueden ser controladas,

como se nombro con anterioridad, con el uso de recubrimientos selectivos, que se aplican

sobre el absorbedor. Este tipo de recubrimientos se diseñan para tener la absortividad más

alta del espectro visible, y la emisividad más baja del espectro infrarrojo, correspondiente a la

radiación emitida a la temperatura de operación del captador. Los captadores que usan este

tipo de tecnologías se llaman de superficie selectiva, los captadores que no tienen este tipo de

superficies simplemente se pintan de negro, y se les llama de superficie no selectiva.

Figura 2.4. Caracteristicas de una superficie selectiva absorbente. “pfernandezdiez.es”

Cubierta simple/doble: Otro de los métodos de pérdidas en captadores son las

pérdidas por convección, y una de las formas de evitar este tipo de pérdidas es el uso de una

doble cobertura transparente, que acostumbra a situarse en la zona posterior de la cubierta de

cristal. En el gráfico de la figura 2.5. podemos ver como varían los rendimientos de los

captadores en función del número de cubiertas que estos tengan para las diferentes

temperaturas de salida del fluido caloportador.

2.1.1.1. Captadores solares de aire

Este tipo de captadores son una variación de los captadores solares planos, este tipo

de captadores funciona exactamente igual, solo que el fluido caloportador en este caso es aire,

y en lugar de las bombas necesarias para la circulación del fluido se utilizan bombas.

El agua presenta algunas ventajas respecto al aire, como que su capacidad para transportar el

calor es mucho mayor, por ejemplo para transportar la misma cantidad de calor necesitaremos

3400 veces más volumen de aire que de agua. Así los sistemas de captadores mediante aire

presentan una serie de desventajas:

- No existen en el mercado sistemas de acumulación estandarizados.



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- El consumo eléctrico de los ventiladores es mayor que el de las bombas

- El rendimiento de los captadores de aire es menor que los que usan fluidos

caloportadores líquidos.

- Figura 2.5. Variación de los rendimientos. “Instalaciones de energía solar térmica para ACS. José Antonio González”

Pero este tipo de captadores presentan una serie de ventajas, que los pueden hacer atractivos

en determinados casos, a pesar de las desventajas nombradas anteriormente. Así las ventajas

que presentan son:

- No presentan problemas de congelación ni de estancamiento

- No hay riesgo de fugas

- Los componentes del sistema son más simple que los de un sistema hidráulico

Figura 2.6. Captador solar de aire. “almuniasolar.com”



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2.1.2. Captadores solares de tubo de vacío

Los captadores de tubos de vacío están compuestos por hileras de tubos de cristal

conectados en paralelo a una tubería de cabecera. En cada uno de los tubos se realiza el vacío

con el fin de reducir las pérdidas. Pero el vacío no solo se usa para la reducción de las

pérdidas, sino que también minimiza la influencia de las condiciones climáticas sobre los

materiales empleados, evitando el deterioro que estas ejercen, aumentando la durabilidad y el

rendimiento global del sistema. Su reducido coeficiente de pérdidas, consigue que sean aptos

para el aprovechamiento de la radiación difusa, lo cual hace que tengan un buen

comportamiento, no solo en días soleados o a mediodía, sino también en días nublados o

cuando el sol está bajo. Así, dentro de los captadores solares de tubo vacío podemos encontrar

los siguientes tipos:

2.1.2.1. Captadores de vacío de flujo directo

Este tipo de captadores está formado por un conjunto de tubos de cristal, dentro de los cuales,

se coloca una plancha de material absorbente adecuado que hace las veces de absorbedor

transformando la radiación solar en calor. El absorbedor es recorrido en su superficie por un

tubo con flujo directo en el que circula un fluido que eleva su temperatura en contacto con él. Existen varios tipos de captadores según la distribución de los tubos:

- Captadores de impulsión-retorno concéntricos: Este tipo de captadores tiene la

ventaja de la simetría rotacional. Los distintos tubos pueden girar fácilmente,

puediendo justar el ángulo de la aleta de absorción, mientras que el captador

permanece horizontal

- Captadores de impulsión-retorno separados: Este tipo de captadores presenta

menores problemas de permeabilidad que los anteriores.

Figura 2.7. Tubo de vacío con flujo directo. Izquierda, concéntricos. Derecha, separados. “Evaluación del potencial de

climatización con energía solar térmica en edificios. Idea.es”

Gracias a su bajo precio, este tipo de tubo ha logrado establecerse en una buena

posición en el mercado de las pequeñas instalaciones, a pesar del rendimiento inferior

comparado con otros tipos de tubos de vacío.

Los tubos de vacío de flujo directo añaden una ventaja más a las generales comunes a todos

los tubos de vacío, dado que su montaje puede realizarse directamente sobre cubiertas planas



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(aunque sólo en regiones con escasas nevadas), lo que significa que se podrán minimizar los

costes relativos a la estructura soporte. Por consiguiente, permiten una mejor integración

arquitectónica.

2.1.2.2. Captadores tipo CPC. Tubos de vacío Sydney. (Estacionarios)

Este tipo de captador fue concebido como un tubo de vidrio de doble pared, cuyo fin

es evitar posibles pérdidas de vacío a través de la conexión entre el metal y el vidrio, perdida

que si puede ocurrir en los dos casos anteriores debido al deterioro del sellado entre el metal

y el vidrio a causas de sus distintas niveles de expansión térmica.

En contraste con otros tipos de tubos de vacío, en los "Sydney" la superficie absorbedora se

halla directamente sobre el tubo interior de vidrio, esto hace que sea necesario un reflector

para aprovechar el área de la superficie absorbedora que no es alcanzada por el sol. La

eficacia de los reflectores situados fuera del tubo de vidrio puede disminuir con el tiempo

debido a la influencia de la intemperie. Por tal razón, deben verificarse y limpiarse los re-

flectores durante el mantenimiento. Estos reflectores se utilizan al mismo tiempo como

concentradores, y la unidad completa del captador se comercializa bajo el nombre CPC

(captador de concentración cilindro-parabólico compuesto).

Figura 2.8. Tubo de vacío tipo Sydney con refelector. “Evaluación del potencial de climatización con energía solar

térmica en edificios. Idea.es”

2.1.2.3. Captadores de tubos de vacío heat pipe

En los tubos de vacío del tipo heat pipe, el absorbedor metálico se conecta a un tubo de calor,

el cual contiene una cantidad muy pequeña de un fluido vaporizante, que suele ser agua

purificada con algunos aditivos, y que gracias al vacío es capaz de hervir a baja temperatura,

temperatura que suele encontrarse en torno a los 30ºC. Este fluido se evapora en un vacío

parcial, sube en forma de vapor hacia la parte superior, donde condensa y regresa en forma

líquida a la parte inferior del tubo. En el condensador el calor se transfiere al fluido de trabajo

del circuito primario. En la fabricación de este tipo de tubos son muy importantes las buenas

condiciones higiénicas, así como la calidad de los materiales, ya que la presencia de algún tipo



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de impureza o suciedad hará bajar su rendimiento, y la pureza del cobre debe ser alta, ya que

si contiene mucho oxigeno, este puede liberarse formándose bolsas en el interior del tubo que

tienden a ir hacia la zona superior donde se encuentra el condensador, limitando el

intercambio de calor por tanto disminuyendo su rendimiento.

Figura 2.9. Tubo de vacío tipo heat pipe. “captadores solares para agua caliente. Inenco”

Figura 2.10. Detalle distitntos tipos de tubos de calor. “captadores solares para agua caliente. Inenco”

Este tipo de tubos presenta una serie de ventajas, como es la unión seca entre la

cabecera y el absorbedor, pero también presenta desventajas como que precisa de un

mínimo de 25º de inclinación para permitir que el fluido condensado regrese.

2.1.3. Captadores tipo Cilindro-parabólicos

Este tipo de concentradores se caracterizan porque realizan un seguimiento del sol.

Este seguimiento puede ser:

- En un solo eje con foco lineal: Pueden seguir la trayectoria del sol únicamente a lo

largo de su ángulo de elevación sobre el horizonte.



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- Seguidores de dos ejes con foco puntual: Los rayos son siempre perpendiculares a la

superficie del captador.

Este tipo de captadores son muy utilizados para aplicaciones de altas temperaturas, ya

que pueden llegar a trabajar con hasta 400ºC. No obstante en el mercado actual existe una

gran oferta, y hay sistemas de para temperaturas de trabajo desde 50ºC. Estos sistemas

tienen ya un largo recorrido, y se han demostrado como sistemas fiables y de larga duración.

2.1.4. Rendimientos de los captadores

Ya hemos definido los distintos tipos de captadores existentes, para las aplicaciones de

refrigeración que nos conciernen, pero la variedad de sistemas existentes no lleva a

preguntarnos en qué nos basaremos a la hora de escoger un sistema u otro. Para ello vamos a

introducir el rendimiento de los captadores.

Figura 2.11. Rendimiento instantáneo captadores. “Evaluación del potencial de climatización con energía solar


Así el rendimiento instantáneo de un captador se define como el ratio entre la energía

cedida a la carga y la radicación solar incidente sobre el área de apertura del captador. Por

tanto el rendimiento del captador se puede expresar como:

ŋ = c0 – (c1 – c2*∆T)*∆𝑇

𝐺𝑇

Donde:

- ΔT (K): es la diferencia entre la temperatura promedio del fluido (temperatura del

fluido utilizado para extraer la energía captada) y la temperatura ambiente.

- GT (W/m2): es la cantidad de radiación solar incidente disponible en el captador.

- c0: es el rendimiento óptico (función de la transmitancia de la cubierta del captador, de

la absortividad del absorbedor y de la reflectividad de los espejos, cuando los haya) (-).



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- c1, c2: son los coeficientes de pérdidas lineal y cuadrático; parámetros que caracterizan

las pérdidas de calor entre el captador y la atmosfera (incluyen las perdidas por

convección y radiación) (W/K m2) (W/K2m2). *6

Así, en la figura 2.11. se muestra los distintos rendimiento instantáneos de distintos

tipos de captadores para una misma radiación incidente: 800 w/m2 directa, 200 w/m2 difusa,

en función de la diferencia de temperatura entre el ambiente y la temperatura media del

fluido. El rendimiento de los captadores solares está estrictamente ligado a la temperatura de

operación del sistema, y en el caso de la refrigeración solar, vendrá condicionado por la

temperatura de funcionamiento según el sistema que estemos usando, como se indico al inicio

de este capítulo, ya sea absorción, adsorción o mediante desecantes. Así, para los distintos

tipos de sistemas tenemos que:

Figura 2.12. Curvas de eficiencia de captadores. Izquierda 800 w/m2. Derecha 400 w/m

2 “Evaluación del potencial de


Estos dos gráficos, de la figura 2.12. nos revelan una información muy importante. Para

los distintos sistemas de producción de frío, cual es el tipo de captador que más nos conviene,

en función de las temperaturas de trabajo del sistema, por ejemplo, nos damos cuenta que

para absorción de doble efecto, lo que mayor eficiencia nos proporciona son los captadores

con seguimiento, y para los sistemas con desecantes que es el caso que nos ocupa, tendríamos

que mirar la temperatura de trabajo del fluido, siendo a 50ºC más eficiente un captador plano

estándar, y a 80ºC un captador tipo Sydney.



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Figura 2.13. Detalle de captadores para sistemas DEC. “Evaluación del potencial de climatización con energía solar


2.2. SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE FRIO CON ENERGÍA SOLAR

Introducidos ya los conceptos de climatización solar y sistemas de captación solar,

vamos a hablar de lo que propiamente nos concierne en este proyecto, los sistemas de

producción de frio mediante energía solar, y muy específicamente, la producción de frio

mediante los sistemas de enfriamiento evaporativo con desecante (DEC).

El concepto de producir frío a partir de la radiación solar, puede resultar confuso y

contradictorio inicialmente, pero desde un punto de vista de aprovechamiento de los recursos

renovables, resulta un sistema apropiado, dado que la mayor demanda de refrigeración se

produce en las horas de mayor disponibilidad de la radiación como se comentó con

anterioridad. Como ya se comento en el apartado 1.2. de este mismo proyecto, este tipo de

sistemas producen una serie de ventajas tanto ambientales como económicas, y de ahí el

interés de su estudio. Estos sistemas se van a clasificar en dos grandes grupos;

- Sistemas de ciclo abierto: El refrigerante siempre es agua y se encuentra en contacto

directo con la atmósfera. Estos sistemas se basan en una combinación de deshumidificación

con desecantes y enfriamiento evaporativo, y son los sistemas en los que nos centraremos en

este proyecto.

- Sistemas de ciclo cerrado: El calor de origen solar se suministra a una enfriadora

térmica que se encarga de producir agua fría. Actualmente se utilizan dos tecnologías;

absorción y adsorción, que serán desarrolladas durante este capítulo.

2.2.1. Sistemas de ciclo cerrado o de agua enfriada

Como hemos visto los ciclos cerrados principales son los de absorción y adsorción, así

que pasaremos a desarrollar en qué consiste su funcionamiento:



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Figura 2.14. Tecnologías de aire acondicionado solar más comunes. “Guía Climasol. Ente Vasco de la energía”

2.2.1.1. Refrigeración por absorción

Las máquinas de absorción son una de las grandes alternativas a los ciclos de

compresión habituales. Este proceso, que es más antiguo que los ciclos de compresión

habituales, está en actual desarrollo y expansión debido al surgimiento del interés por las

energías renovables y la eficiencia energética.

Este ciclo es muy similar al de compresión, siendo la gran diferencia que en este ciclo el

compresor mecánico se sustituye por un compresor químico, es decir un absorbedor más un

generador, disminuyendo de una manera sustancial el consumo de energía eléctrica, que es el

gran problema de los compresores mecánicos.

Las máquinas de absorción pueden clasificarse de dos maneras, según los pares

refrigerantes absorbentes:

- Agua / Bromuro de Litio (LiBr)

- Agua / Cloruro de Litio (LiCl)

- Amoniaco (NH3) / Agua

O según las etapas del proceso:



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- Simple efecto

- Doble efecto

Pasaremos a clasificarla según este último método.

Figura 2.15. Ciclo de refrigeración mediante maquina de absorción ideal. “almadeherrero.blogspot.com”

Máquinas de absorción de simple efecto:

Los principales componentes de una maquina de absorción de simple efecto son:

- Generador

- Absorbedor

- Condensador

- Evaporador

Hasta ahí son los mismos que en la máquina ideal de absorción, y se le añade un

recuperador de calor entre el absorbedor y el generador, cuya misión es aprovechar el calor de

la disolución saliente del generador para precalentar la disolución procedente del absorbedor.

De esta forma se disminuye el calor que se debe suministrar al generador, para que se separe

el refrigerante del absorbente.*7

Así el funcionamiento de la máquina de absorción se desarrolla en las siguientes fases;

Empezamos desde el generador, donde se encuentra la solución acuosa, a la cual se le aporta

una determinada cantidad de energía (en la figura el circuito naranja) y que está formada por

el fluido caloportador proveniente de los captadores solares, y que suele tener una

temperatura en torno a los 90ºC. Como consecuencia de este aporte de calor, el agua

contenida en la solución hierve, y el vapor que se forma, se encamina hacia el recipiente

contiguo, que es el condensador previo paso por el separador, mientras tanto la solución

restante que ha aumentado su concentración se dirige hacia el intercambiador de calor. En el

condensador, el vapor de agua es enfriado, condensando, y este líquido entra en el

evaporador donde se mantiene a una presión muy baja, y se produce su cambio de estado,

cogiendo el calor necesario del fluido a refrigerar (que en el dibujo se llama fluido enfriado). Al

mismo tiempo la solución concentrada procedente del generador, fluye al absorbedor, y el



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vapor de agua es absorbido por la solución, debida a la gran afinidad con el agua. Finalmente

esta solución es enviada de nuevo al generador donde se reinicia el proceso, pasando

previamente por el intercambiador de calor.

Figura 2.16. Maquina de absorción simple efecto. “forofrio.com”

Así, conseguimos a partir de una fuente de calor, que obtenemos de la radiación solar, generar

frío, que requerimos para la refrigeración, a partir de un proceso químico, y trabajando con

diferentes presiones.

Máquina de absorción de doble efecto

Las máquinas de absorción de doble efecto se diferencian de lasa de simple efecto, en

que disponen de dos generadores y dos condensadores, para una única combinación

absorbedor-evaporador. Estos sistemas suelen operar a tres niveles distintos de presión y

cuatro de temperatura. A continuación pasaremos a explicar como es el funcionamiento del

ciclo de doble efecto; Comenzando en el generador de alta temperatura, tenemos el aporte de

calor, que en la imagen se realiza con un quemador, pero que en nuestro caso se realizaría

con energía proveniente de la radiación solar. Debido al aporte de calor realizado, el agua

comienza a hervir, y el vapor de agua llega al separador. Como resultado de esta separación

del vapor, la solución restante aumenta su concentración, y fluye desde el separador hacia el

intercambiador de alta temperatura donde es enfriada por la solución diluida (que se ecplicará

más adelante), entrando a continuación en el generador de baja temperatura. En paralelo, el

vapor de agua, circula por el generador de baja temperatura aportando calor a la solución

semiconcentrada como se indica en la figura. Como consecuencia de este intercambio de

calor, parte del agua de la solución semiconcentrada hierve liberando vapor refrigerante

adicional. Esta segunda separación de vapor de la solución permite aumentar el rendimiento

de la máquina y es la razón por la que esta variante del ciclo se denomine de doble efecto. El



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vapor separado en el generador de baja temperatura atraviesa el separador secundario y

alcanza el condensador donde se reúne con el vapor generado en la primera etapa.

Figura 2.17. Maquina de absorción de doble efecto. “aborsistem.com”

En el condensador, el circuito por el que circula el fluido de enfriamiento, enfría el vapor

condensándolo y formando el agua que es el líquido refrigerante. Éste líquido entra en el

evaporador debido a la diferencia de presión y al encontrarse en un espacio donde la presión

absoluta es muy baja, se evapora a muy baja temperatura, adquiriendo el calor necesario para

ello del fluido a refrigerar, que es agua.

Mientras, la solución semiconcentrada al reducir su contenido de agua por efecto de la

evaporación en el generador de baja temperatura, aumenta su concentración. En estas

condiciones fluye a través del intercambiador de calor de baja temperatura donde cede calor a

la solución diluida que circula por su circuito secundario reduciendo su temperatura. A

continuación la solución concentrada entra en el absorbedor que es un espacio compartido

con el evaporador y en el que se encuentra un serpentín por el que circula agua de

enfriamiento. Dentro del absorbedor la solución concentrada, gracias a su alta afinidad con el

agua, absorbe el vapor producido en el evaporador lo que permite mantener constante la

presión en éste. Al mismo tiempo, el agua de enfriamiento que circula por el serpentín del

absorbedor elimina durante el proceso de absorción el calor aportado al vapor de agua en el

evaporador. Como toda el agua separada de la solución en los dos generadores, el de alta y el

de baja temperatura, ha llegado finalmente al absorbedor, en este espacio la solución se diluye

de nuevo hasta la concentración inicial. Desde el absorbedorse hace pasar primero por el



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intercambiador de calor de baja temperatura, calentándose por la solución concentrada y a

continuación por el intercambiador de calor de alta temperatura donde, adquiere el calor

cedido por la solución semiconcentrada, entrando finalmente en el generador de alta

temperatura donde de nuevo se inicia el ciclo.*8

Figura 2.18. Comparativa COP distintos sistemas de refrigeración. “Evaluación del potencial de climatización con

energía solar térmica en edificios. Idea.es”

La imagen 2.18., nos da una información valiosa acerca de los distintos tipos de

refrigeración por absorción. Como podemos ver el COP de los ciclos de doble efecto es el

mayor de todos, sobre todo cuando la temperatura del fluido de trabajo es mayor. Esto COP,

se analizarán en este mismo apartado, tras la refrigeración por adsorción, con el fin de

comparar los tres sistemas desarrollados de una sola vez, y dando una visión general de los

procesos.

2.2.1.2. Refrigeración por adsorción

Este tipo de refrigeración está basada en el principio de adsorción, que consiste en la unión de

las moléculas de un gas con la superficie de un material higroscópico altamente poroso. Este

efecto de adsorción es debido a que la presión parcial del vapor de agua en la superficie de un

material higroscópico es menor que la del vapor de agua en el aire, por lo que este tipo de

materiales retienen en estado líquido, el vapor de agua contenido en el aire. Una vez la

superficie adsorbente alcanzan su punto de saturación se deben regenerar usando una fuente

de calor, y cerrando así el ciclo.

El ciclo de refrigeración de las máquinas de adsorción se basa en dos fenómenos físicos:

- El material adsorbente es capaz de retener el vapor de agua.

- Cuando la presión es baja, el agua se evapora a bajas temperaturas.



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La estructura de las máquinas de adsorción suele estar dividida en cuatro cámaras:

- Cámara superior que actúa como condensador.

- Cámaras intermedias que actúan como generador-receptor.

- Cámara inferior que trabaja como evaporador.

Figura 2.19. Esquema máquina adsorción. “Climasol. Ente Vasco de la energía”

Vamos a pasar a detallar el funcionamiento de este tipo de máquinas, que se puede

detallar en las siguientes fases; El ciclo comienza generando vacío en el interior de las

máquinas, y se introduce una pequeña cantidad de agua después de haberlo realizado. Se

suministra calor al generador, donde se encuentra el gel de silicio saturado, y mientras tanto la

cámara que tiene gel de silicio seco actúa como un receptor del vapor de agua procedente del

evaporador. Transcurridos 10 minutos, las válvulas neumáticas permanecen cerradas durante

una fase de recirculación de 40 segundos. Período en el cual, el agua de refrigeración y el agua

caliente de los intercambiadores, que se encuentran en contacto con el gel de silicio, se

mezclan para realizar una recuperación de calor parcial y para evitar el shock térmico. Después

de esta etapa las válvulas se abren y la máquina trabaja al revés, la cámara que anteriormente

actuaba como receptor, ahora actúa como generador mientras que la otra actúa como

receptor y es refrigerada. Durante este proceso se forma vapor de agua, que se condensa en el

condensador, y que es bombeado al evaporador, donde es evaporado a muy baja presión,

extrayendo el calor del agua a enfriar. El vapor generado es nuevamente absorbido por el gel

de silicio, comenzando el ciclo.

Las ventajas de las máquinas de adsorción respecto a las de absorción son:

- Las temperaturas de operación en el generador de las máquinas de adsorción pueden

ser más bajas que en las máquinas de absorción.

- No existe limitación en la temperatura del agua de refrigeración ya que no existe

riesgo de cristalización.

- El COP no es tan dependiente de la temperatura del agua del generador como en las

máquinas de absorción



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Figura 2.20. Comparación COP absorción adsorción. “idae.es”

Figura 2.21. Características principales de las enfriadoras de absorción/adsorción. “Evaluación del potencial de


Los inconvenientes de la máquina de adsorción respecto a la de absorción son:

- El COP promedio es menor.

- Los actuales equipos son más pesados y caros.

En la figura 2.21. tenemos un útil resumen de las distintas características y rangos de

operación de las enfriadoras, aunque en el mercado se pueden encontrar modelos con



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especificaciones más diversas, según el sistema aplicado, este resumen sirve para tener un

conocimiento generalizado del mercado en estas tecnologías. Asimismo, en este resumen,

tenemos los captadores que se suelen usar para cada sistema, y los rangos entre los que se

suele situar el COP de las distintas máquinas.

2.2.2. Sistemas de ciclo abierto

Los sistemas de ciclo abierto generan ya aire propiamente acondicionado, frente a los

ciclos de adsorción que generan agua fría. Este tipo de ciclos se basan en una mezcla de

enfriamiento evaporativo y deshumidificación del aire gracias a una sustancia desecante. Se

utiliza el término abierto para indicar que el refrigerante, después de proporcionar el efecto

frigorífico no se recupera. El ciclo estándar se suele aplicar en ruedas desecantes, que suelen

usar como material desecante gel de sílice o cloruro de litio, pero se pueden otros sistemas, así

como otros tipos de desecantes tanto líquidos como sólidos, que se desarrollaran en el

apartado 3 de este mismo proyecto.

Figura 2.22. Sistema de refrigeración con rueda desecante. “Climasol. Ente vasco de la energía”

Puede darse el caso de que para aplicar este tipo de sistemas en zonas de humedad

extrema tengan que aplicarse disposiciones especiales, como dos ruedas desecantes, realizar

la desecación en dos etapas, o usar este sistema con sistemas de enfriamiento adicionales,

como podría ser combinar este tipo de ciclos con los sistemas tradicionales de compresión, ya

que la deshumidificación puede que no sea lo suficiente como para permitir el enfriamiento

evaporativo del aire, aunque hay numerosos estudios*15 que demuestran el buen rendimiento

de este tipo de sistemas en climas húmedos. Como el próximo capítulo versa exclusivamente

de este tipo de ciclos, vamos a realizar únicamente una breve presentación de ellos, usando

como base el ciclo con rueda desecante, que es el más comúnmente utilizado;

En la rueda desecante, el aire se deshumidifica, y se calienta levemente, pasando a la

rueda de recuperación donde se produce un preenfriamiento del aire, y de ahí se pasa al

enfriador evaporativo donde se produce una reducción en la temperatura del aire y un



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aumento en su humedad. El sistema auxiliar de calentamiento, que podemos ver en la figura

2.22. es usado solo en la época del año que sea necesario calentar el aire.

Pare el uso de este tipo de sistemas en modo calefacción, cuando la demanda no sea muy alta

bastará con la deshumidificación del aire, en la que se producirá un calentamiento de este. Si

las condiciones son más extremas puede usarse el sistema auxiliar de calentamiento usando la

energía obtenida de los captadores solares.*16 La posibilidad de aplicar el calentamiento a

través del aprovechamiento de la energía solar queda respaldada en numerosos estudios*17,18,

demostrando que es viable para este tipo de sistemas, aunque en este proyecto nos vamos a

centrar más en la producción de frío.

Figura 2.23. Esquema de refrigeración calefacción con desecantes. “H. Li et al. / Applied Thermal Engineering 31”



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3. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN EVAPORATIVA CON DESECANTES

En este capítulo vamos a desarrollar el tema central del proyecto, que es el estudio de

los sistemas de enfriamiento evaporativo con desecantes. Para ello lo primero que vamos a

hacer es introducir este tipo de sistemas, clasificarlos, y pasar a explicar cada uno de los

componentes que forman estos sistemas. De ahí pasaremos a nombrar las distintas

configuraciones y a analizar las ventajas e inconvenientes de estas, este análisis se llevara a

cabo a partir del análisis de distintos estudios que han sido obtenidos a partir de la página de

divulgación científica www.sciencedirect.com. Estos artículos se irán presentando y

comentándose las conclusiones de cada uno.

3.1. Introducción

El uso de los sistemas de enfriamiento evaporativo con desecantes se recomienda

cuando la temperatura de bulbo húmedo no excede frecuentemente la temperatura de

25ºC*19, figura 3.1. Los enfriadores evaporativos pueden actuar con un COP alto*20, en

ambientes secos. Es aquí donde entran en funcionamiento los sistemas desecantes, debido al

contenido de vapor de agua en el aire en climas más húmedos, la eficiencia de los enfriadores

evaporativos disminuye, y se puede conseguir un aumento de esta mediante la desecación del

aire.

Figura 3.1. Temperatura bulbo húmedo Pozuelo de Alarcón. “Elaboración propia, datos meteopozuelo”

Los sistemas de enfriamiento evaporativo con desecantes se están convirtiendo en una

alternativa a los sistemas tradicionales de refrigeración, y están siendo, cada vez más, objeto

de estudio por parte de muchos investigadores, tanto en la variedad de las sustancias

desecantes, como en las distintas configuraciones posibles de estos, por lo que para situarnos

en el apartado 3.3. se realizará una breve clasificación de este tipo de sistemas-

0

5

10

15

20

Ener

o

Feb

rero

Mar

zo

Ab

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May

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Jun

io

Julio

Ago

sto

Sep

tiem

bre

Oct

ub

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No

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bre

Dic

iem

bre

Temperatura bulbo humedo

Temperatura bulbo humedo



Página 57

3.2. Descripción del ciclo y los distintos componentes

Vamos a pasar ahora a realizar una descripción del que es el ciclo base de este tipo de

tecnologías, el ciclo ventilado o ciclo Pennington. Vamos a ver las transformaciones que sufre

el aire en su recorrido durante el ciclo, así como la función de cada uno de los componentes.

Como se puede ver en la figura 3.2., el proceso comienza con la entrada del aire ambiente en

el punto 1, con unas ciertas condiciones de temperatura y humedad; Este aire se hace pasar

por la rueda desecante, en este caso, donde parte de la humedad es extraída por la sustancia

desecante, consiguiendo un aire con menor humedad y mayor temperatura (efecto indeseado

de la desecación), el correspondiente al punto 2. Este aire se hace pasar por un intercambiador

de calor, en la figura llamado rueda de recuperación, dado que este recuperador suele ser

rotacional. En este proceso, el aire seco procedente del punto 2, se enfría sensiblemente,

dando lugar al aire del punto 3, un aire con el mismo contenido de humedad pero a menor

temperatura.

Figura 3.2. Ciclo ventilado. “M. Mujahid Rafique et al. Renewable and Sustainable Energy Reviews”

Una vez llegados a este punto el aire se hace pasar por el enfriador evaporativo directo,

durante este proceso el aire proveniente de la rueda de recuperación se enfría y humedece,

alcanzando las condiciones de humedad y temperaturas requeridas para el acondicionamiento

del debido espacio en el punto 4. Todo lo explicado hasta ahora queda gráficamente

representado en el diagrama psicométrico de la figura 3.3.

El aire tratado obtiene calor del aire que se encuentra en la habitación, y sale de ella en las

condiciones del punto 5. En este punto el aire se hace pasar de nuevo por un enfriador

evaporativo directo, enfriando de nuevo el aire hasta llevarlo a las condiciones del punto 6, el

objetivo de este enfriamiento es conseguir las condiciones necesarias del aire para hacerlo

pasar por el intercambiador de calor nombrado anteriormente, y realizar aquí un

preenfriamiento del aire ambiente. Debido a este preenfriamiento del aire de entrada, el aire

que se encontraba en las condiciones del punto 6, aumentara su temperatura sensiblemente



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hasta el punto 7, y se hará pasar por el calentador para llevar al aire a las condiciones óptimas

para realizar el proceso de regeneración del desecante, y que variará dependiendo de la

sustancia, condiciones del punto 8. Llegados a este punto cabe decir que el calentador

representado en la figura se ha representado como un calentador generalista, este calentador

puede ser alimentado de muchas formas, con calderas, bombas de calor etc., pero lo ideal, es

alimentarlo con un fluido caloportador proveniente de captadores solares, como se ha venido

explicando en el proyecto, aprovechando así la radiación solar para este calentamiento,

reduciendo emisiones contaminentes y el consumo eléctrico de la instalación. Así tras el

calentador, el aire que entraba en condiciones del punto 8, sale al ambiente en las condiciones

del punto 9.

Figura 3.3. Ciclo ventilado. “M. Mujahid Rafique et al. Renewable and Sustainable Energy Reviews”

Ahora que hemos realizado una descripción global del sistema, vamos a realizar una

descripción detallada de cada elemento:

3.2.1. Rueda desecante

Comenzamos la descripción de los elementos con el primer equipo que el aire

proveniente del ambiente se encuentra en su camino hacia el local a acondicionar. Este equipo

es la rueda desecante, como comentaremos más adelante en el apartado 3.3. de este mismo

proyecto, existen otros sistemas de desecación aparte de la rueda desecante, tanto sólidos

como líquidos, pero aquí nos centraremos en el uso de este tipo de sistemas,ya que es el

elemento más ampliamente extendido dentro del mercado actual para este tipo de sistemas

de refrigeración.

Como comentamos anteriormente, la función de la rueda desecante es la de extraer la

humedad del aire de procesamiento, para así optimizar el proceso de enfriamiento

evaporativo. En este empeño, la sustancia desecante se impregna en una estructura soporte,



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como se puede ver en la figura 3.4., esta estructura soporte puede estar compuesta de algún

material corrugado de fibra de vidrio, figura 3.6, o algunos tipos de materiales compuestos de

cerámica acanalados.

Figura 3.4. Esquema rueda desecante. “M D. La et al. Renewable and Sustainable Energy Reviews 14 (2010)”

Como se puede ver en la figura 3.4., la sección transversal de la rueda desecante se divide en

aire de procesamiento y aire de regeneración mediante unas pequeñas tablillas que suelen

repartirse en una proporción de 3:1, siendo la mayor superficie para el tratamiento del aire de

procesamiento. Como se comentará posteriormente, esta desecación se puede realizar en un

solo paso o en varios, quedando la rueda dividida en más secciones. Mientras la rueda

mantiene constantemente la rotación, el aire proveniente del exterior, es forzado a pasar por

la zona limitada a ella mediante las tablillas, donde pierde humedad, mientras que el

desecante la gana y se satura. Al mismo tiempo el aire de regeneración se hace pasar por la

zona delimitada para ello, regenerando el desecante.

Figura 3.5. Procesos de deshumidificación y humidificación. “Tesis de grado. Armando Fredy Adriano”



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Desecantes

Vamos a hablar de la parte fundamental de la rueda desecante, que es la sustancia

que remueve la humedad del aire, el desecante, que son sustancias que tienen una gran

afinidad por el agua, figura 3.5., y adsorbe (desecantes solidos) o absorbe (desecantes líquidos)

el vapor de agua contenido en el aire ambiente. Como ya se comento anteriormente, en este

tipo de sistemas el desecante será sólido y se sitúa en una estructura soporte, figura 3.6., que

tiene forma mallada, y que permite la circulación del aire a través de ella.

Figura 3.6. Detalle de estructura soporte de desecante. “L.Z. Zhang et al. Energy 65 (2014)”

Figura 3.7. Clasificación de desecantes sólidos. “X. Zheng et al. Energy 74 (2014)”

Cada vez son más las sustancias que se están probando en este tipo de tecnologías, en la figura

3.7. encontramos un resumen de este tipo de materiales; A la hora de escoger un determinado

material desecante hay que tener en cuenta muchas variables, ya que la eficiencia de

deshumidificación de estos varía con temperatura del aire de regeneración, el aire de

procesamiento, y la humedad, como veremos más adelante en el apartado 3.6. de este

proyecto. Pero a la hora de escoger este tipo de materiales, habrá dos propiedades principales

a tener en cuenta:



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- Deben poseer una alta capacidad adsorbente, y ser regenerados con facilidad.

- El funcionamiento del material debe aproximarse a la curva 1M, de la figura 3.8. que

representa la forma óptima para aplicaciones de aire acondicionado.*10 Siendo la

fracción de carga el contenido real de agua del desecante en la correspondiente

HR/contenido máximo de agua desecante en HR=100 %

La factibilidad de los sistemas de enfriamiento evaporativo con desecantes se basa en el bajo

coste, y la eficiencia de los materiales desecantes, así gran cantidad de estudios están

buscando cada vez materiales compuestos que hagan más eficiente este tipo de sistemas. *11

Figura 3.8. Comparación de adsorción isoterma “D. La et al. / Renewable and Sustainable Energy Reviews 14”

El proceso de adsorción que sufre un desecante queda reflejado en la figura 3.9.,

donde se puede ver como al aumentar el contenido de humedad de la sustancia desecante, va

aumentando la presión de vapor en la superficie del desecante en el proceso 1-2, luego se

regenera suministrándole aire caliente, que remueve la humedad en el proceso 2-3, y

finalmente se enfría en el proceso 3-1.

Figura 3.9. Proceso de deshumidificación y regeneración de desecante. “M. Mujahid Rafique et al. Renewableand

Sustainable Energy Reviews 45”



Página 62

Las sustancias desecantes más usuales son carbón activado, alumina activada, zeolita,

gel de sílice, trietilenglicol, existen más compuestos pero ya menos comunes. Pasamos a

explicar las más usuales dentro de los desecantes sólidos;

- Compuestos basados en el gel de sílice: El gel de sílice (SiO2·nH2O) es el compuesto

más comúnmente usado como material desecante, debido a su bajo coste y a su baja

temperatura de regeneración. Es un mineral natural, que se purifica y procesa en forma

granular o de perlas con estructura amorfa microporosa. Tiene un área superficial de 650 m2/g,

con un tamaño de poro desde 2-3 nm (Tipo A) hasta 7nm (Tipo B). Con un calor de adsorción

cercano a 2800 kj/kg.*12

Muchos materiales compuestos basados en el gel de sílice están siendo desarrollados, y han

demostrado que tienen mejores propiedades que el gel de sílice puro, es el caso de

compuestos de gel de sílice impregnados con una solución saturada de LiCl, que han

demostrado tener una capacidad de absorción 2-3 veces superior que el gel de sílice puro.*13

- Zeolita sintética: Este compuesto, puede adsorber la humedad fuertemente, y es

usado tanto en aplicaciones de deshumectación como de aire acondicionado. Este material

suele tener capacidades de adsorción menores al gel de sílice y la alúmina, por lo que solo se

suele usar en aquellos lugares donde está disponible a bajo costo.

Figura 3.10. Adsorción isoterma de agua de compuesto de silica gel con diferente tamaño de poro a 40ºC. (SA:8-

10nm, B: 4-7nm, C: 2-3nm) 30 representa solución de Cacl2 al 30%. “X. Zheng et al. Energy 74 (2014)”

- Alumina activada: Este compuesto se consigue a partir de Hidróxido de Aluminio

mediante dehidroxilación para producir alto nivel de porosidad; este material puede tener un

área superficial de entre 150-500 m2/g. Con un tamaño de poro que va desde 1.5 hasta los

6nm y un calor de adsorción cercano a los 3000kj/kg. Este compuesto es usado tanto como

desecante como filtro retenedor de F, As, Se en agua potable.

- Carbón activado: El carbón activado es otra de las sustancias ampliamente usadas

como desecante sólido debido a su alto volumen de poros y gran área superficial. Según



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reflejan algunos estudios, en determinadas condiciones el carbón activado puede tener 2-3

veces más capacidad de adsorción del vapor de agua que el gel de sílice.*12

En la figura 3.11., podemos ver una comparación de la capacidad de adsorción de

algunos de los desecantes de los cuales hemos estado hablando. A parte de estos compuestos

existen otros muchos materiales compuestos que pueden ser combinación de alguno de los

anteriores con distintas sustancias, pero que aún están en fase de desarrollo en su mayoría.

Figura 3.11.Adsorción de agua de aire atmosférico a 25ºC. “X. Zheng et al. Energy 74 (2014)”

También existen muchas sustancias desecantes líquidas como cloruro de calcio (CaCl), cloruro

de litio (LiCl), bromuro de litio (LiBr), que cada vezestan siendo más usados en los procesos de

desecación para refrigeración, pero aun su uso es muy limitado y la mayoría de sistemas se

encuentran en fase de investigación, por ello que nos centraremos en las ruedas desecantes.

En los anexos se incluye una comparativa de distintas ruedas desecantes, donde se puede ver

las distintas características de cada una de ellas.

3.2.2. Rueda de recuperación

Como se nombro anteriormente, los recuperadores rotativos son intercambiadores de

calor, en el que se aprovecha la temperatura del aire que va a ser expulsado para preenfriar el

aire de entrada al enfriador evaporativo.

Este tipo de recuperador esta constructivamente constituido por una carcasa en cuyo interior

gira un tambor generalmente accionado mediante un motor eléctrico. El interior del tambor se

encuentra constituido por material de relleno permeable al aire, con gran superficie de

contacto y resistente a la abrasión. Los flujos de aire de renovación y de expulsión están

separados de manera que circulan adyacentemente y en contracorriente. La eficiencia de los

intercambiadores de este tipo esta en torno al 65-70%.



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Como el efecto que este tipo de elementos tiene en el aire a tratar ya se explico en el inicio de

este apartado, no se repetirá ni en este equipo ni en los siguientes para no redundar.

Figura 3.12.Recuperador rotativo. “Instalacionesyeficienciaenergética.com”

3.2.3. Enfriador evaporativo

El enfriamiento evaporativo se basa en el fenómeno natural que se origina cuando se

ponen en contacto agua y aire, y en el cual se produce un descenso en la temperatura del aire

al producirse la evaporación del agua. En este proceso hay por tanto una transferencia de calor

y masa, en el cual tiene lugar una conversión de calor sensible a calor latente como quedó

patente en el diagrama psicrométrico de la figura 3.3. Al ser un fenómeno de carácter natural,

ya que solo intervienen en él agua y aire, sin necesidad de usar en este proceso sustancias

refrigerantes que acostumbran a ser dañinas al medio ambiente, y al tener un elevado calor

latente de vaporización el agua, este método de refrigeración es un método económico y

respetuoso con el medio ambiente.

Figura 3.13.Posibles evoluciones psicrométricas del agua. “Tesis doctoral Ana Tajero Gonzalez”



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Como se comento anteriormente el enfriamiento evaporativo es un proceso de

transferencia de calor y masa basado en la conversión del calor sensible en latente. Cuando

esta transformación sigue un proceso adiabático o hacia la temperatura de rocio, la

temperatura seca del aire no saturado disminuye a medida que aumenta su humedad, al

proporcionar el aire el calor sensible que se convertirá en latente para que se produzca la

evaporación del agua. Este intercambio de calor sensible y latente tiene lugar hasta que el aire

se satura y la temperatura del aire y el agua se igualan alcanzando un valor denominado

"temperatura de saturación adiabática", siendo por lo tanto el proceso conocido como

"saturación adiabática". *14

Existen limitaciones al enfriamiento alcanzado por saturación adiabática. De hecho, la cantidad

de calor sensible eliminado no puede ser superior al calor latente necesario para saturar el

aire. Es por ello que las posibilidades de enfriamiento evaporativo varían inversamente con el

contenido en humedad del aire, es por ello que es necesario desecar el aire antes de realizar el

enfriamiento evaporativo, y por lo que se dispone una rueda desecante, para poder mantener

el alto rendimiento de los enfriadores evaporativos, y poder alcanzar las temperaturas

necesarias.

Existen varios tipos de enfriadores evaporativos, y es de especial importancia que los

presentemos, ya que una de las variaciones en las configuraciones que vamos a estudiar en

este proyecto más adelante, será la de usar distintos tipos de enfriadores evaporativos. Así

dentro de estos, podemos encontrar:

Enfriadores evaporativos directos:

Este tipo de sistema pone en contacto directo el agua que se va a evaporar con el aire

de procesamiento, el esquema básico de los sistemas de enfriamiento evaporativo con

desecantes suele usar este tipo de elementos. En ellos al entrar en contacto directo el agua y

el aire, este último cede calor al agua, reduciendo su temperatura a la vez que aumenta su

humedad. Una de las características del acondicionamiento de aire con desecantes y

refrigeración evaporativa, es que se ejerce un buen control tanto de la temperatura del local a

acondicionar, como de la humedad, factor que los tradicionales sistemas de

acondicionamiento d aire no suelen tener en cuenta, pudiendo llegar a crear en ciertas

ocasiones condiciones de disconfort.

Figura 3.14.Enfriador evaporativo directo. “wescorhvac.com”



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Dentro de los enfriadores evaporativos directos, podemos encontrar tres tipos en función del

medio de humectación, y que muy resumidamente son:

- De paneles evaporativos: Están compuestos de paneles de fibras generalmente

tratadas químicamente, y que se montas en marcos que pueden ser de metal o de

plástico.

Figura 3.15.Enfriador evaporativo directo de paneles evaporativos. “Tesis doctoral Ana Tajero Gonzalez”

- De medio rígido: El equipo sería similar al descrito anteriormente sustituyendo las

fibras por placas rígidas y corrugadas de plástico, fibra de vidrio etc.

- Rotatívos: Disponen de un medio de humidificación en forma de rueda, que esta

accionada por un motor, al modo de la rueda desecante o el recuperador rotativo

descrito anteriormente.

- Pulverización directa: Se consigue aumentar el contenido de humedad a través de la

pulverización del agua en la corriente de aire a tratar. Estos dispositivos tienen una

eficiencia muy elevada, pero tienen una serie de problemas como es el riesgo de

contaminación por bacterias como la legionelosis, por lo que será necesario un debido

mantenimiento.

Enfriadores evaporativos indirectos:

Se conoce como enfriamiento evaporativo indirecto ya que la evaporación del agua se

efectúa en una corriente secundaria de aire, que intercambia sensiblemente calor con la

corriente de aire de procesamiento. Así, el aire secundario es enfriado por contacto directo

con el agua siguiendo el proceso ya descrito para los evaporadores directos, mientras

simultáneamente la corriente de aire de procesamiento se enfría sensiblemente, es decir su

contenido en humedad no se ve modificado.

Este tipo de enfriador se utiliza especialmente en aquellas aplicaciones donde no se quiere

aumentar el contenido de humedad en el aire de procesamiento. Además se evitan los riesgos

de contaminación del aire de procesamiento, ya que no se realiza la pulverización sobre esta



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corriente, aunque si habrá que tratar la corriente secundaria para evitar la contaminación con

bacterias.

Figura 3.16.Enfriador evaporativo indirecto. “wescorhvac.com”

Vamos a comentar brevemente os tipos de enfriadores de este tipo que podemos encontrar:

- Sistema indirecto con intercambiador tubular: Toman el aire del ambiente mediante

una serie de tubos finos y lisos, mientras un sistema pulveriza agua en el exterior de

los tubos donde circula la corriente de aire secundario.

Figura 3.17. Enfriador evaporativo indirecto con intercambiador tubular. “Tesis doctoral Ana Tajero Gonzalez”

- Sistema indirecto con intercambiador de placas: Es el sistema más usual. En este

equipo, el aire exterior entra por un lateral atravesando una serie de filtros y se

impulsa con el ventilador hacia los pasos del intercambiador de placas dispuestos en

dirección horizontal, donde se enfría. El aire de retorno del local, aspirado por el

ventilador superior, atraviesa los pasos verticales, correspondientes a la zona húmeda



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del intercambiador en la que se está pulverizando el agua, y a su salida se expulsa al

exterior.*14

Enfriadores evaporativos indirectos/directos:

Este tipo de sistemas no es más que una combinación de los dos casos anteriores, a

partir de la utilización de una serie de módulos secuenciales, que permiten compatibilizar las

ventajas e inconvenientes de cada uno de los sistemas anteriores, consiguiendo así una mejora

en el rendimiento ampliando las posibilidades de aplicación en climas húmedos. Uno de los

documentos que estudiaremos, “Performance enhancement of a desiccant evaporative cooling

system using direct/indirect evaporative cooler”, basa su estudio en la diferencia de

rendimiento que se puede conseguir entre un sistema basado en enfriadores tradicionales, y

distintas configuraciones basadas en la aplicación de este tipo de enfriadores.

Figura 3.18. Enfriador evaporativo indirecto/directo. “wescorhvac.com”

3.2.4. Calentador:

Será el elemento encargado de transmitir la el calor suficiente al aire de retorno para

que este alcance la temperatura necesaria para la regeneración del desecante. Como ya se

comento anteriormente, el calentamiento del aire para la regeneración del desecante se podrá

realizar por distintos métodos, pero uno de los incentivos de este tipo de sistemas, aparte de

la reducción de los costes de mantenimiento, es que es un sistema que reduce las emisiones

de emisiones contaminantes, por lo que se presenta en la figura 3.19. un sistema cuyo

calentador está alimentado con un fluido caloportador calentado a partir de la energía solar

obtenida en los captadores, y que servirá para calentar el aire de retorno proveniente del local

climatizado.

Este aire se hace pasar primero por la rueda de recuperación, explicada con

anterioridad, y luego por el calentador que no es más que un intercambiador de calor.

Adicionalmente se puede disponer de un calentador auxiliar en cualquiera de las dos

posiciones que se muestran en la figura 3.19. para calentar el aire a la temperatura de

regeneración del desecante, que variará según el utilizado, si el calentador alimentado con el

fluido caloportador proveniente del captador solar no fuese suficiente. Este modelo es mucho



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más sostenible que usar sistemas con calderas de gas bombas de calor, y como exponen

muchos estudios es un sistema viable*21, llegando hasta el 80% la fracción de energía necesaria

cubierta por el sistema de captación solar*22.

Figura 3.19. Calentador alimentado por energía solar. “T.S. Ge et al. / Renewable and Sustainable Energy Reviews”

Figura 3.20. Necesidades de energía entregadas. “N. Enteria et al. Energy and Buildings 60”

3.3. Clasificación y descripción de las distintas configuraciones

En este apartado del proyecto vamos a desarrollar una clasificación a fin de situar los

distintos tipos de sistemas de enfriamiento evaporativo con desecantes. Existen cuatro tipos

de métodos de deshumudificación; líquido absorbente, torre empacada adsorbente, cama

rotatoria adsorbente, y rueda desecante. De estos cuatro solo haremos referencia al primero y

al último, que son los que realmente tienen una utilización notable, y de estos dos, nos

centraremos en las ruedas desecantes, que son las que realmente se usan en la aplicación de

estos dispositivos, debido al menos tamaño de sus equipos y a que permite trabajar en



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régimen continuo. Aunque inicialmente realizaremos una introducción de los desecantes

líquidos, ya que cada vez más están siendo objeto de estudio por sus buenas propiedades.

3.3.1. Desecantes líquidos

Comenzamos hablando de los desecantes líquidos, que aunque de reciente estudio, ya

se pueden encontrar en el mercado algunas aplicaciones. Anteriormente en el apartado 3.2.1.

de este mismo proyecto hablamos sobre los desecantes sólidos al introducir la rueda

desecante, ahora vamos a realizar una breve introducción de los sistemas con desecantes

líquidos.

Como se comento los desecantes son sustancias que tienen una gran afinidad por el vapor de

agua contenido en el aire, y se aprovecha este hecho para eliminar la humedad del aire. Los

desecantes líquidos más comunes son: cloruro de calcio, cloruro de litio, bromuro de lítio,

trietilenglicol, y algunas mezclas de estos componentes ya sea entre ellos mismos o con otros

compuestos.*23 Los sistemas con desecantes líquidos presentan una serie de ventajas con

respecto a los sólidos, ya que tienen menos pérdidas de presión, menores temperaturas de

regeneración (entre 50 y 80ºC), y tienen la capacidad del eliminar las partículas contaminantes,

pero por contraposición presentan problemas de corrosión y son equipos más voluminosos y

caros por lo que son menos usados que los desecantes sólidos. Los desecantes líquidos además

presentan la ventaja de que no calientanel aire en su proceso de deshumidificación, figura

3.21, por lo se requerirán menos energía para el enfriamiento y la regeneración del aire

tratado.

Figura 3.21. Evolución psicrométrica de distintos sistemas de desecación. “M.S. Buker, S.B. Riffat. Energy and

Buildings 96.”

Los sistemas a partir de desecantes líquidos son comúnmente usados en combinación con

otros sistemas, así podemos encontrar;

- Sistema híbrido de desecante líquido con compresión de vapor



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- Sistema híbrido de desecante líquido con sistemas de absorción

- Sistema híbrido de desecante líquido con evaporadores directos

- Sistema híbrido de desecante líquido con evaporadores indirectos

- Sistema híbrido de desecante líquido con evaporadores directos/indirectos*23

Figura 3.22. Sistema de refrigeración evaporativa basado en desecante líquido. “M.S. Buker, S.B. Riffat. Energy and

Buildings 96.”

3.3.2. Desecantes sólidos

Vamos a dar ahora paso a los desecantes sólidos que es en los que nos vamos a centrar como

ya se comento, en especial en la rueda desecante. Para calsificarlo nos apoyaremos en el

artículo “Technical development of rotary desiccant dehumidification and air conditioning: A

review” que será otro de los artículos principales en los que nos vamos a apoyar para el

estudio de los sistemas de enfriamiento evaporativo con desecantes.

3.3.2.1. Ciclo básico y sus modificaciones.

Figura 3.23. Ciclo de Pennington. “T.S. Ge et al. Renewable and Sustainable Energy Reviews 39”



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El ciclo básico es el llamado ciclo de Pennington*9 o ventilado, figura 3.23., que fue

patentado ya en el año 1955, y que es el esquema básico en el que se basan el resto de

disposiciones.

Así en la imagen 3.23. se representa el ciclo, quedando rotulado cada uno de los elementos

principales que lo componen, habiendo sido explicado en el apartado 3.2. de este proyecto

cual es el proceso que sufría el aire en su enfriamiento, así como la función que cumple cada

uno de estos elementos en ese proceso, por lo que para evitar redundancias y por economía

de espacio se evitará describir nuevamente este ciclo.

A partir del ciclo básico, se pueden realizar una serie de modificaciones que dan lugar a

otras configuraciones. El ciclo básico se puede dividir en los siguientes esquemas;

Ciclo ventilado modificado:

A partir del ciclo ventilado obtenemos el ciclo ventilado modificado que es mostrado en la

figura 3.24. En este ciclo el aire de retorno proveniente del local a acondicionar no es usado en

la regeneración del desecante, bien sea por imposibilidad de recircularlo, o porque no sea apto

para ello por estar contaminado u otros motivos. Es obvio que el coeficiente de rendimiento

(COP), y la capacidad de refrigeración se van a ver disminuidas. Como se puede ver en el

diagrama psicrométrico, el aire perteneciente a la corriente de regeneración estará a más

temperatura y humedad que si utilizáramos el aire del local acondicionado.

Figura 3.24. Ciclo ventilado modificado. “D. La et al. Renewable and Sustainable Energy Reviews 14”

Como se puede ver, el aire sigue un proceso similar al ciclo básico, en el punto 1, se encuentra

el aire ambiente, en ese momento el aire se hace pasar por la rueda desecante, perdiendo

humedad y ganando temperatura hasta situarse en el punto 2, y de ahí se hace pasar por la

rueda recuperadora, donde intercambia calor de manera sensible con aire ambiente, que ha

sido tratado con un enfriador evaporativo, se preenfría así el aire hasta el punto 3, y de ahí ya

pasa directamente hasta el punto 4, después de haber pasado por el enfriador evaporativo,



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que le hace perder temperatura y ganar humedad hasta el punto escogido. Todo este proceso

se puede ver representado en el diagrama psicrométrico con una línea verde. La línea rosa

pertenece al aire ambiente, que es el encargado de la regeneración del desecante. Este aire

sufre un proceso, inverso. Primero se preenfría desde el punto 1 hasta el punto 5 mediante un

enfriador evaporativo como ya se había comentado, ganando humedad y perdiendo

temperatura. De ahí se hace pasar por la rueda de recuperación, ganando temperatura del aire

de procesamiento, y calenándose hasta el punto 6. Una vez aquí pasa por un calentador, que

lo llevará hasta la temperatura de regeneración, punto 7, y aquí pasará por la rueda

desecante, donde pierde temperatura y gana humedad hasta el punto 8 donde ya es

expulsado al ambiente.

Ciclo de recirculación :

Para solucionar el bajo COP y la bajada en la capacidad de refrigeración, se dispone

este nuevo ciclo. En él para soslayar los problemas derivados del ciclo anterior se recircula el

aire del local como aire de procesamiento, como queda de relieve en la figura 3.25. En ella se

ve como la corriente de procesamiento, en color verde en la figura, no proviene del aire

ambiente como ocurría en los dos casos anteriores, sino que proviene directamente del local a

climatizar. Este hecho, que soluciona los problemas del ciclo anterior, causa el problema de la

ausencia de aire fresco, por lo que en ocasiones, si la debida normativa lo requiere, será

necesario disponer un sistema de ventilación auxiliar.

Figura 3.25. Ciclo de recirculación. “D. La et al. Renewable and Sustainable Energy Reviews 14”

Como se ve en el diagrama psicrométrico de la figura 3.25., dado que el aire de

procesamiento es recirculado se pueden conseguir menores temperaturas, y será necesario

usar menos energía por lo que aumentará el rendimiento del ciclo.

El aire sufre el mismo proceso que en los casos anteriores, con la diferencia de que aquí el

punto 1 no es a condiciones ambiente, sino a las condiciones del local. El resto del proceso es

similar al caso anterior, del punto 1 al punto 2, pierde humedad y gana temperatura en la

rueda desecante, del punto 2 al punto 3, se preenfria en la rueda recuperadora



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intercambiando calor de manera sensible, del punto 3 al punto 4, se enfría y humecta gracias

al enfriador evaporativo. En este caso el aire exterior sigue el mismo proceso que para el

apartado anterior. Las condiciones en este caso sí que son las ambientales, y pertenecientes al

punto 5. Y el proceso será el mismo que para el apartado anterior, así que no se repetirá el

proceso para no redundar.

Figura 3.26. Ciclo de recirculación ventilado. “D. La et al. Renewable and Sustainable Energy Reviews 14”

Figura 3.27. Ciclo de recirculación ventilado. “M. Ali et al. Energy Conversion and Management 97”

Ciclo de recirculación ventilado:

Como hemos visto los dos ciclos anteriores presentaban diversos problemas, el ciclo

ventilado modificado presentaba un bajo COP y capacidad de refrigeración, mientras tanto el

ciclo recirculado solucionaba este problema pero se presentaba el problema de la ausencia de

ventilación. Ante estos dos ciclos es posible encontrar una solución intermedia, es decir

aprovechar el aire recirculado, pero mezclándolo con aire ambiente. Este ciclo queda

representado en la figura 3.26., en el se puede ver como se produce la mezcla de este aire



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proveniente del local con el aire del ambiente, siendo este aire exterior en torno al 10-40% del

total del aire. Cabe destacar que en este ciclo el aire del punto 1, como se puede ver en la

figura, será una mezcla de aire ambiente y recirculado, por lo que según el porcentaje que se

desee ventilar este aire saldrá en unas determinadas condiciones.

En el diagrama de la figura 3.27, aunque a una baja calidad de imagen, se puede

apreciar el punto 1 de este ciclo, que se sitúa en la línea que une las condiciones 5 y 6, y que se

acercará más a un punto u otro, dependiendo de la cantidad de ventilación que se desee.

Como ya se ha comentado este hecho ahorrará energía por lo que aumentará el rendimiento

(COP) con respecto al ciclo básico.

Como ya se ha comentado en este proceso las condiciones del punto 1 son especiales, ya que

son una mezcla de las condiciones del aire de recirculación (punto 5) y el aire ambiente (punto

6). El aire en estas condiciones sigue exactamente el mismo proceso que para los dos casos

anteriores del punto 1 al punto 2, pierde humedad y gana temperatura en la rueda desecante,

del punto 2 al punto 3, se preenfria en la rueda recuperadora intercambiando calor de manera

sensible, del punto 3 al punto 4, se enfría y humecta gracias al enfriador evaporativo. Con el

aire ambiente ocurre lo mismo que los procesos anteriores así que se obviará.

Figura 3.28. Ciclo Dunkle. “D. La et al. Renewable and Sustainable Energy Reviews 14”

Ciclo Dunkle:

El ciclo Dunkle combina las ventajas del ciclo ventilado, el cual provee al

intercambiador de calor de aire con una temperatura relativamente baja, y el ciclo de

recirculación, que puede proporcionar al espacio a acondicionar una alta capacidad de

enfriamiento. Como se puede ver en la figura 3.28., en este ciclo se dispone un

intercambiador de calor adicional, que es el encargado de aprovechar las temperaturas

relativamente bajas del aire de retorno.



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Pero este ciclo tiene el mismo problema que el ciclo de recirculación, y es que no se

suministra aire fresco al local a climatizar, por lo que ocasionalmente será necesario disponer

de un sistema de ventilación auxiliar. En la figura 3.28. se puede apreciar el proceso que sufre

el aire en su enfriamiento, representado en el diagrama psicrométrico.

Aquí el aire sigue un proceso levemente distinto, ya que existen dos ruedas de recuperación, y

el aire sigue un proceso inverso, aunque los elementos cumplen la misma función. En el punto

1 en este caso el aire es el proveniente del local en las condiciones de retorno, aquí se hace

pasar por el enfriador evaporativo, enfriándose y ganando humedad hasta situarse en el

punto 2. Ahora el aire se hace pasar por una rueda de recuperación, calentándose y ganando

el calor de la corriente que va hacía el local como se comentará posteriormente. Se sitúa ahora

en las condiciones del punto 3. En el punto 3 pasa por la rueda desecante, perdiendo

humedad y calentándose, hasta el punto 4, donde se hace pasar por una rueda de

recuperación donde tendrá un primer enfriamiento sensible hasta el punto 5, y se dirigirá

hasta la primera rueda de recuperación donde cede el calor a la corriente inicial llegando hasta

el punto 6. En el punto 6 pasa por un enfriador evaporativo y se sitúa en el punto 7,

condiciones de admisión al local.

El aire ambiente sufre un proceso más sencillo, del punto 8, punto ambiente, se hace pasar por

la rueda de recuperación donde gana temperatura sensiblemente hasta el punto 9, de aquí

pasa al calentador que le da calor hasta la temperatura de regeneración, punto 9, y en la rueda

desecante pierde temperatura y gana humedad hasta el punto 10.

Ciclo Dunkle ventilado:

Para solucionar el problema de la ventilación, análogamente al ciclo de recirculación,

se puede realizar una mezcla del aire recirculado con aire ambiente, en una proporción

variable, con lo que conseguimos realizar la ventilación, que en ocasiones es obligatoria, y

aprovechamos parcialmente las bajas temperaturas de la recirculación. En la figura 3.29.

podemos ver como quedaría el esquema de este tipo de ciclo.

Figura 3.29. Ciclo Dunkle ventilado. “D. La et al. Renewable and Sustainable Energy Reviews 14”



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El proceso en este caso es idéntico al anterior, por lo que no lo comentaremos de nuevo. La

única diferencia es el punto 1 que en este caso es una mezcla de aire ambiente y aire de

recirculación. Como se comentó para el ciclo de recirculación ventilado estas condiciones

variarán en función de la ventilación. El resto del proceso es igual y no se indica por no

reduindar.

Ciclo DINC:

Este ciclo es similar al ciclo ventilado modificado, solo que dispone de un enfriador

evaporativo indirecto/directo. Como ya vimos en el apartado 3.2.3. de este mismo proyecto,

este tipos de enfriadores evaporativos, tienen dos tipos de enfriamiento, uno puramente

sensible, y otro sensible y latente, en el que varía la humedad.

Este tipo de ciclos será estudiado más adelante en las distintas configuraciones debido a la

gran mejora que produce en el ciclo. Mientras que en un ciclo ventilad modificado, el COP

extrañamente supera el 0.8, en este tipo de ciclos el COP puede estar en torno a 1.6.

Figura 3.30. Ciclo DINC. “D. La et al. Renewable and Sustainable Energy Reviews 14”

Este proceso si es levemente distinto, aunque en esencia es lo mismo. Para este caso el

punto 1 corresponde a las condiciones ambientes. Como anteriormente el aire pasa por la

rueda desecante, perdiendo humedad y calentándose, llegando al punto 2. Se enfría en la

rueda recuperadora hasta el punto 3, y aquí cambia un poco el proceso.

Se le añade aire de recirculación situándolo en el punto 4 que dependerá de la cantidad de

aire recirculado que vienen en las condiciones del punto 7. En el punto 4 pasa por el enfriador

evaporativo indirecto, enfriándose sensiblemente hasta el punto 5, y se pasa por el enfriador

evaporativo directo, donde se enfría y gana humedad hasta el punto 6. Cabe destacar que el

proceso del punto 7 al punto 8, corresponde al aire del enfriador evaporativo indirecto de la

corriente secundaria, que está en contacto directo con el agua.



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Ciclos SENS y REVERS:

Dos casos especiales dentro de las modificaciones del ciclo básico que podemos

encontrar en los artículos objeto de estudio son los llamados ciclos SENS y REVERS. La

particularidad de estos ciclos es que se dispone de una torre de refrigeración y un “serpentín

de enfriamiento”, es decir que la corriente de aire de procesamiento en vez de enfriarse

directamente con un refrigerador evaporativo, se enfría mediante un intercambiador de calor

alimentado por agua, que se refrigera en una torro de enfriamiento.

Figura 3.31. Ciclo SENS. “D. La et al. Renewable and Sustainable Energy Reviews 14”

En la figura 3.31., podemos ver el ciclo SENS. Como hemos comentado el ciclo cuenta

con la torre de refrigeración y el intercambiador de calor, que produce un enfriamiento

sensible, sin adición de humedad. Este ciclo mejora los problemas de ciclos anteriores como la

ausencia de ventilación, y mantiene una alta capacidad de refrigeración. Lo más interesante de

este ciclo es el COP que se obtiene, ya que según nombra el artículo se pueden obtener COP

cercanos a 2.5. Este ciclo no es realmente utilizado debido a la complejidad que conlleva. En

este ciclo SENS el aire entra en las condiciones del punto 1, que son condiciones ambientes, de

ahí se calienta y deshumidifica hasta el punto 2 y sufre dos calentamientos sensibles en

diversas ruedas recuperadoras hasta el punto 3, y posteriormente punto 4. El aire se mezcla

con aire de recirculación en condiciones del punto 7, hasta alcanzar las condiciones del punto

5, que dependen de la cantidad de recirculación. En el punto 5 el aire se enfría sensiblemente

hasta el punto 6 condiciones de admisión al local, y condiciones de admisión a la torre de

refrigeración, donde se enfría y humedece hasta el punto 8, que se calienta y gana calor de la

corriente anterior hasta llegar al punto 9 donde se expulsa al exterior. El aire de regeneración

sigue el proceso descrito en los ciclos anteriores por lo que se obviará.

En la figura 3.32. podemos ver el ciclo REVERS. Este ciclo es una simplificación del ciclos SENS,

como se aprecia en la figura, el principio de enfriamiento es el mismo con la torre de

refrigeración y el intercambiador de calor, solo que se dispone una rueda de recuperación

menos que en el ciclo anterior.



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En el ciclo REVERS, el aire ambiente, punto 1, ganan temperatura y pierde humedad hasta el

punto 2. Aquí se hace pasar por la rueda de recuperación donde se enfría hasta el punto 3. En

el punto 3 se mezcla con aire de retorno, punto 6, quedando en las condiciones del punto 4.

En el punto 4 pasa por el intercambiador alimentado por la torre de refrigeración y se enfría

sensiblemente hasta el punto 5, condiciones de alimentación al local y a la torre de

refrigeración, en la cual gana humedad y pierde temperatura hasta el punto 7. En el punto 7 se

calienta en la rueda de recuperación, punto 8, y se calienta hasta la temperatura de

regeneración punto 9. Se hace pasar por la rueda desecante donde se enfría y humedece hasta

el punto 10.

Figura 3.32. Ciclo REVERS. “D. La et al. Renewable and Sustainable Energy Reviews 14”

3.3.2.2. Regeneración por etapas:

Figura 3.33. Ciclo regeneración por etapas. “D. La et al. Renewable and Sustainable Energy Reviews 14”

Este ciclo es similar al ciclo básico, con la diferencia de que después de ser calentado

en la rueda recuperadora, solo una fracción pequeña del aire pasa por el calentador



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alimentado con energía solar, el resto pasa directamente para el proceso de regeneración

separándose este en dos etapas; pre-regeneración, con el aire no tratado, y regeneración, con

el aire que pasa por el calentador.

Este ciclo fue introducido ya en el año 1966 por Glav, y en su patente se destaca el

aumento del COP que se produce al producir la regeneración del desecante de esta manera.

En el ciclo de regeneración por etapas el aire de alimentación al local sufre el proceso ya

explicado en numerosas ocasiones, por lo que no se volverá a comentar. La diferencia radica

en la regeneración. Como se ve el punto 9 es una mezcla de las corrientes provenientes del

punto 8 y del punto 9, ya que una es se hace pasar por el calentador y otra no. El resto del

ciclo es igual que los anteriormente descritos.

3.3.2.3. Deshumidificación isotérmica:

Este ciclo ya introduce una modificación sustancial con respecto al ciclo básico. En él se

propone una deshumidificación isotérmica, ello se consigue a partir de la introducción de más

de una rueda desecante e intercambiadores de calor. El objetivo es reducir el calentamiento

que se produce en el proceso de adsorción del desecante, a partir de la desecación por etapas.

Esto podría ser útil para usar este tipo de sistemas en climas de humedad alta, aumentando la

capacidad de enfriamiento del aire a partir del enfriador evaporativo. En la figura 3.58. se

muestra el proceso ideal de la deshumidificación isoterma, en el que se supone un número

infinito de etapas de deshumidificación, comparándolo con la deshumidificación de una sola

etapa. Se puede ver que para alcanzar una misma cantidad de vapor de agua en el aire, en el

proceso multi-etapas, la temperatura final del aire es mucho menor que realizándolo en una

sola etapa, reduciendo la energía que tenemos que entregar al aire para alcanzar la misma

temperatura.

Figura 3.34. Ciclo ideal deshumidificación por etapas. “D. La et al. Renewable and Sustainable Energy Reviews 14”

En la figura 3.34. tenemos la línea roja que representa la deshumidificación en una

etapa, y la línea azul discontinua, que representa el proceso ideal de deshumidificación multi-

etapas. Este tipo de deshumidificación multi-etapas se suele realizar con la deshumidificación



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en dos estapas disponiendo dos ruedas desecantes como se puede apreciar en la figura 3.35.

donde las “RD” representan las dos ruedas desecantes, y que en el diagrama psicrométrico

corresponden a los procesos 1-2, 3-4.

Figura 3.35. Ciclo deshumidificación por etapas. “D. La et al. Renewable and Sustainable Energy Reviews 14”

Es posible conseguir esta desecación por etapas con la disposición de dos ruedas

desecantes, como se ha visto en la figura anterior, pero no es la única manera, ya que es

posible hacerlo en un solo rotor, haciendo pasar el aire por varias secciones distintas de la

rueda desecante, realizando el mismo efecto de desecación por etapas.

En este caso el aire ambiente a condiciones del punto 1, se hace pasar por la rueda desecante

donde se calienta y deshumidifica hasta el punto 2. En el punto 2 pasa por un intercambiador

de calor enfriándose sensiblemente hasta el punto 3. Del punto 3 hasta el punto 4 se

deshumidifica y calienta en la rueda desecante, y se vuelve a enfriar sensiblemente hasta las

condiciones del punto 5 en un nuevo intercambiador. Por último el aire se hace pasar por un

enfriador evaporativo ganando humedad y enfriándose hasta el punto 6, condiciones de

admisión al local.

El aire de retorno, punto 7, se mezcla con aire ambiente hasta el punto 8 y se hace pasar por

un enfriador evaporativo hasta las condiciones del punto 9. Este aire alimentará los dos

intercambiadores de calor, donde sufren un proceso simétrico, se calientan hasta los puntos

10 y 13, respectivamente, en los respectivos intercambiadores, se calientan hasta los puntos

11 y 14 en sendos calentadores hasta la temperatura de regeneración, y se enfrían y

humedecen hasta los puntos 12 y 15 respectivamente.

3.4. Sistemas de acondicionamiento de aire híbridos:

El último punto que vamos a tratar en la clasificación son los sistemas de refrigeración

híbrido que utilizan desecantes. Hay que tener en cuenta como se viene diciendo en este

proyecto, que para climas muy húmedos es posible que los sistemas de enfriamiento

evaporativa no consigan alcanzar las temperaturas deseadas si la deshumidificación no se lleva

hasta el punto requerido, debido al alto contenido de humedad del aire y no poder retirarla.

Por ello se recurre a sistemas híbridos, que se apoyan en alguna otra tecnología, basada en la



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energía solar o no, y que garantizan el satisfacer las cargas de refrigeración del local a

climatizar. De este tipo de sistemas existen una gran variedad, y sería muy extenso

desarrollarlas todas no siendo el objetivo de este proyecto, así que este proyecto se limitará a

nombrar las distintas posibilidades que expone uno de los artículo que está siendo objeto de

estudio este apartado:*10

- Sistema híbrido de desecantes y compresión mecánica.

- Sistema híbrido de desecantes y enfriadora por absorción.

- Sistema híbrido de desecantes y enfriadora por adsorción.

- Sistema híbrido de desecantes y enfriadora de techo.

- Sistema híbrido de desecantes de producción de aire y agua fría

Figura 3.36. Ciclo híbrido. “D. La et al. Renewable and Sustainable Energy Reviews 14”

Este tipo de sistemas pueden apoyarse en los sistemas desecantes obviando el

enfriamiento evaporativo, como en la figura 3.36., o pueden ser un complemento junto con él.

La idea de poder complementar los sistemas tradicionales con los enfriadores evaporativos

resulta una idea interesante y que podría adaptar este tipo de sistemas a climas en los que a

priori no se podían desarrollar. Como se ve en la figura 3.37., se puede usar un ciclo de

compresión normal para enfriar agua y a partir de esta enfriar el aire de manera sensible, o

como ocurre en la figura 3.38 aprovechando el condensador para la regeneración del

desecante, con lo que el calor auxiliar a aportar es mucho menor, y el evaporador para el

enfriamiento del aire de procesamiento.

Con este último tipo de sistemas de enfriamiento híbrido (entre desecantes,

enfriadores evaporativos y otros sistemas, según corresponda el caso) llegamos al final de la

clasificación de los sistemas que aprovechan las propiedades desecantes para el

acondicionamiento de espacios. Pasaremos ahora a uno de los apartados claves de este

proyecto que es la comparación de distintas configuraciones de sistemas de enfriamiento

evaporativo con desecantes, tanto estudiando distintas configuraciones, como una misma

configuración añadiendo distintos componentes.



Página 83

Figura 3.37. Ciclo híbrido. “T.S. Ge et al. Renewable and Sustainable Energy Reviews 39”

Figura 3.38. Ciclo híbrido. “T.S. Ge et al. Renewable and Sustainable Energy Reviews 39”

3.5. Instalaciones mediante sistemas de enfriamiento evaporativo con desecantes

Antes de continuar con el desarrollo de la tecnología, vamos a hacer una breve

introducción sobre algunas edificaciones en los que este sistema ha sido puesto en marcha con

éxito. Los sistemas de enfriamiento evaporativo con desecantes tienen un mercado potencial

importante, y pueden aplicarse tanto como único medio de refrigeración, asi como en sistemas

mixtos, acompañados de otros sistemas como absorción, o sistemas de compresión mecánica

tradicionales.

Aunque a día de hoy su implantación en sistemas de acondicionamiento de viviendas

parece lejano, si es un hecho que estos sistemas se están implantando en grandes



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edificaciones, y por algunas de las empresas más importantes del panorama internacional,

siendo algunos de estos proyectos los siguientes:

Figura 3.39. Distribución de las instalaciones de frío solar de pequeña y gran potencia por sectores en Europa.

“Cubasolar”.

- Edificio de investigación "Ökopark Hartberg"

Este edificio situado en Austria, es el primer edificio con sistema de enfriamiento

evaporativo con desecantes, con fuente de energía renovable situado en este país. Aunque su

uso habitual es para dar conferencias y seminarios cuenta con una zona de oficinas. Los datos

energéticos de la instalación son los siguientes: El COP anual: 0,6 (carga de refrigeración

anual/calor de regeneración anual), mientras que en modo adiabático el COP es 3-5, el caudal

suministrado de aire es de 6000 m3/h, y la carga de refrigeración total es de 20 kW (seco:

17.130W, húmedo: 3.320 W). La máxima capacidad de refrigeración del sistema con desecante

es de 30.400 W, y la máxima capacidad de refrigeración en el edificio: 21.800 W.

En cuanto al medio ambiente, el uso de calor solar y calor procedente de la biomasa está

reduciendo las emisiones de CO2 que se provocarían con combustibles fósiles. El consumo de

energía necesario para los ventiladores y el deshumidificador rotativo contribuye en escasa

medida al calentamiento global. La inversión global sin contar el IVA se cifró en 105.000€.

- Chamber of Commerce ‘Südlicher Oberrhein’ (IHK-SO)

Esta sala de reuniones y cafetería, situada en Freiburgo (Alemania), es refrigerada

mediante un ciclo abierto con enfriamiento evaporativo y uso de desecante (DEC), usando el

calor obtenido de la energía solar para regenerar la rueda desecante, que contiene gel de sílice

como sustancia adsorbente. Los datos energéticos del sistema son los siguientes: el COP anual

de la instalación es 0.43, la máxima capacidad de refrigeración es de 60 kW, el caudal nominal

de aire suministrado es de 10200 m3/h, mientras que el caudal mínimo de funcionamiento es

de 2500 m3/h. La energía para la regeneración del desecante se obtiene con captadores



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solares de aire tipo Flat-plate, con una superficie de 92 m2, que consiguen llevar el aire hasta

una temperatura típica de regeneración del desecante de 70ºC.

Figura 3.40. Esquema de la instalación. “www.solar-project.eu”

Figura 3.41. Esquema de la instalación Pompeu Fabra.” www.solar-project.eu”

- Biblioteca Pompeu Fabra

La biblioteca Pompeu Fabra, situada en Mataró (España), es un ejemplo de integración

de la energía solar en la edificación. Desde su concepción se diseño para integrar sistemas de

energías solar térmica y energía fotovoltaica para satisfacer las necesidades de electricidad y

refrigeración en sus instalaciones. El sistema de refrigeración consiste en un ciclo abierto que



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opera con gel de sílice como desecante y cuyos datos energéticos son los siguientes: el COP

anual de la instalación es 0.6, la máxima capacidad de refrigeración es de 81 kW, el caudal

nominal de aire suministrado es de 12000 m3/h, mientras que el caudal mínimo de

funcionamiento es de 6000 m3/h. La energía para la regeneración del desecante se obtiene con

captadores solares de aire, con una superficie de 88 m2, que consiguen llevar el aire hasta una

temperatura típica de regeneración del desecante de 65ºC.

Una vez hemos hemos analizado el estado de las energías y las perspectivas de futuro, vamos a

pasar a explicar cuál es el estado del arte de las tecnologías de la climatización solar.

3.6. Influencia de las variables de operación y condiciones ambiente

Dentro de estos sistemas, existen una serie de variables que pueden hacer variar los

rendimientos del sistema. Como vimos en el apartado 3.2., el usar un tipo de desecante u otro

puede hacer variar los rendimientos, pero una vez escogido todos los equipos, existen una

serie de variables que pueden afectar al rendimiento. Para el estudio de estas variables nos

apoyaremos en los estudio “Experimental investigations on desiccant wheels”, “Solid desiccant

air-conditioning systems -Design parameters” y “Comparison between the conventional and

recirculation modes in desiccantcooling cycles and deriving critical efficiencies of components”

que será el primero de los estudios que vamos a analizar, ya que se considera interesante

tener en cuenta como las variables operativas afectan a los ciclos.

3.6.1. Velocidad de rotación

La primera variable que tiene en cuenta el primero de los estudios que vamos a tratar

es la velocidad de rotación de la rueda desecante. Esta influye en la capacidad de

deshumidificación del desecante. Las ruedas desecantes pueden girar a una velocidad que

oscila entre las 15 y las 100 revoluciones por hora (rph), una velocidad mucho menor a la que

lo hacen las ruedas de recuperación. Esta velocidad varía según la sustancia desecante así

como su estructura soporte. En el caso estudiado en este artículo, se hace una comparativa

entre las velocidades de rotación de dos ruedas desecantes, una que utiliza gel de sílice, y otra

que usa cloruro de litio como sustancia desecante. Se realiza un estudio de la capacidad de

absorción/adsorción de ambas ruedas, en unas mismas condiciones de aire: 32ºC de aire

ambiente, 60ºC de aire de regeneración, aire de procesamiento 2000 m3/h, siendo la relación

con el aire de regeneración de 3:1.

Vamos a realizar un análisis de la figura 3.42., de ella extraemos que la velocidad

óptima de rotación en la que el desecante tiene un mayor poder de deshumidificación varía

según el tipo de desecante. Como vemos, para el gel de sílice (H-St4), la capacidad de

deshumidificación aumenta cuando la velocidad de la rueda supera los 85-100 rph,

manteniéndose prácticamente constante hasta las 160. Sin embargo para el cloruro de litio (K-

St1), alcanza un máximo en torno a las 22 rph, y decrece tanto a una velocidad mayor como

menor. Esto pone de relieve la importancia de realizar un buen ajuste en las ruedas desecantes

teniendo en cuenta el material con el que contamos.



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Por último el estudio comenta la rueda de gel de sílice con una temperatura de regeneración

mayor (H-St5), concretamente a 75ºC, y vemos que aumenta la capacidad de

deshumidificación, por lo que la temperatura de regeneración será otra de las variables a tener

en cuenta. Ahora el estudio nos presenta en la figura 3.41. una comparativa entre los distintos

rendimientos de deshumidificación de las ruedas anteriormente nombradas.

Figura 3.42. Comparación de la capacidad de deshumidificación de rueda con gel de sílice(H-St4,H-St5), y cloruro de

litio (K.St1) . “U. Eicker et al. Applied Thermal Engineering 42”

Cabe destacar que los máximos rendimientos se dan con las velocidades de rotación en las que

las capacidades de deshumidificación eran mayores, obviamente, y que el rendimiento

máximo de ambas ruedas es similar y en torno al 0.5. Siendo un poco mayor para la rueda de

gel de sílice con una temperatura de regeneración mayor (H-St5), cuyo rendimiento se acerca

al 0.6.

Figura 3.43. Comparación el rendimiento de rueda con gel de sílice(H-St4,H-St5), y cloruro de litio (K.St1) . “U. Eicker

et al. Applied Thermal Engineering 42”



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3.6.2. Contenido de vapor de agua del aire ambiente

La segunda variable que tiene en cuenta el estudio “Experimental investigations on

desiccant wheels” es el contenido de vapor de agua del aire exterior para una determinada

temperatura exterior. Como está claro, este contenido no es controlable y, depende de la

época del año, el lugar geográfico, etc. Y como ya se puso de relieve en algunas ocasiones en

este proyecto, será un factor a tener en cuenta, ya que en lugares con humedades muy altas,

será necesario asegurarse de que se consigue llevar a cabo una desecación suficiente del aire

para poder alcanzar la temperatura necesaria con el enfriador evaporativo.

Así el estudio muestra la influencia del contenido de vapor de agua comparando la

capacidad de deshumidificación de una rueda de gel de sílice, en función de la velocidad de

rotación y para tres contenidos distintos de vapor de agua en el aire. En la figura 3.44.

podemos ver como al aumentar el contenido de humedad del aire, aumenta la capacidad de

deshumidificación de la rueda desecante. Se desprende de la figura, que como vimos en el

apartado anterior, también varía según la velocidad de rotación, situándose el punto óptimo

para cada una de las distintas humedades prácticamente en la misma velocidad de rotación,

corresponiente a una velocidad en torno a 85 rph.

Figura 3.44. Comparación de la capacidad de deshumidificación de la rueda con gel de sílice según el contenido de

humedad. “U. Eicker et al. Applied Thermal Engineering 42”

En la figura 3.45., se presenta el rendimiento de deshumidificación para una rueda desecante

perteneciente a un estudio realizado en Shanghai, y se ve claramente que al aumentar el

contenido de humedad del aire aumenta el rendimiento de deshumidificación. No se usa la

gráfica equivalente a los apartados anteriores, porque los resultados que se extraen de las

mediciones realizadas en Stuttgart no son concluyentes y pueden llevar a confusión.

Aunque aumenta el rendimiento de deshumidificación no ocurre lo mismo con el rendimiento

térmico del sistema, ya que al aumentar el contenido de humedad, disminuirá el COP, como

veremos en el apartado 3.7. de este mismo proyecto al analizar el artículo “Performance

enhancement of a desiccant evaporative cooling system using direct/indirect evaporative

cooler”, y como podemos ver en la figura 3.46., donde se muestra como varían el COP, la



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capacidad frigorífica y la potencia de regeneración necesaria con respecto al contenido de

humedad del aire.

Figura 3.45. Comparación del rendimiento de deshumidificación de la rueda con gel de sílice según el contenido de

humedad. “U. Eicker et al. Applied Thermal Engineering 42”

Vemos en la figura 3.46., que al aumentar la humedad disminuyen tanto la capacidad

frigorífica (CC en la figura), como la potencia necesaria para la regeneración (Preg en la figura),

pero al hacerlo en mayor medida la CC, se produce un descenso en el rendimiento total del

ciclo (COP).


(Preg). “P. Bourdoukan et al. / Energy 35 (2010)”

3.6.3. .Relación de flujo



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La siguiente variable que estudia el primero de los artículos a estudiar es la relación

entre los flujos de procesamiento y de regeneración, para ello compara en el diagrama

psicrométrico la capacidad de deshumidificación de la rueda desecante de gel de sílice a una

velocidad de rotación constante de 85 rph, y 75 ºC de temperatura de regeneración.

Figura 3.47. Capacidad de deshumidificación de la rueda con gel de sílice según la relación de caudales. “U.

Eicker et al. Applied Thermal Engineering 42”

De los datos obtenidos se extrae que al variar la relación entre los caudales de 0.5 a 0.75,

existe un aumento en la capacidad de deshumidificación del proceso con prácticamente el

mismo gradiente entálpico. Por tanto será mejor adoptar la relación de 0.75. Para relaciones

mayores a 0.75, se produce un aumento de entalpía grande, que no resulta ventajoso, si no va

acompañado de un aumento en la capacidad de deshumidificación. Todo lo comentado

anteriormente se puede ver en la figura 3.47., tanto los gradientes entálpicos similares para las

relaciones de 0.5-0.75, como el aumento en la capacidad de deshumidificación.

3.6.4. Temperatura de regeneración

La ultima variable que se tiene en el artículo “Experimental investigations on desiccant

wheels”, es la temperatura de regeneración del material. Como ya se ha comentado en el

apartado 3.2.1. de este mismo proyecto, cada material desecante tiene una temperatura de

regeneración óptima, y para alcanzarla en ocasiones será necesario el uso de calentadores

adicionales al alimentado por energía solar. El artículo estudia la temperatura de la rueda

desecante de gel de sílice a partir de una serie de ensayos realizados. Para ello mide la

capacidad de deshumidificación de dicha rueda desecante para diferentes temperaturas de

regeneración. Los resultados que se obtienen son los recogidos en los recogidos en la figura

3.48. Como se puede ver en esta figura, al aumentar la temperatura de regeneración la

capacidad de deshumidificación aumenta. El artículo comenta que el rendimiento de

deshumidificación pasa de un 54% a un 58%, cuando la temperatura se incrementa de 60ºC a

90ºC, aunque de este dato no se ofrece gráfica. En la figura podemos ver que un incremento

de 60ºC a 75ºC produce una modificación notable de la capacidad de deshumidificación de la

rueda desecante, pero no produce una gran variación en el contenido entálpico del aire a

tratar, sin embargo, al variar de 75ºC hasta 90ºC, la deshumidificación no aumenta



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considerablemente y por el contrario el contenido entálpico del aire de procesamiento

aumenta lo cual no es positivo para el objetivo de la refrigeración, por tanto la temperatura de

regeneración más óptima para este caso sería la de 75 ºC, siempre y cuando el objetivo

principal sea la refrigeración, si solo se busca la deshumidificación esta temperatura se podría

aumentar aceptando el incremento entálpico del aire.

Figura 3.48. Capacidad de deshumidificación de la rueda con gel de sílice según la temperatura de regeneración. “U.

Eicker et al. Applied Thermal Engineering 42”

También es interesante ver como varía el COP de un sistema cuando cambia la temperatura de

regeneración, para ello nos vamos a apoyar en el segundo de los artículos, “Solid desiccant air-

conditioning systems -Design parameters”, que nos muestra información en este aspecto en

una interesante gráfica que podemos ver en la figura 3.49., donde para un mismo flujo de aire

se varía la temperatura de regeneración viendo como cambia el COP del sistema para unas

condiciones del aire ambiente predefinidas de 32ºC y 34%HR.

Figura 3.49. Variación del COP respecto al caudal de aire y la temperatura de regeneración. “G. Panaras et al. Energy

36 (2011)”



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Como se ve en la figura 3.49., el COP disminuye para un caudal determinado al aumentar la

temperatura de regeneración, debido al mayor aporte de energía necesario darle a la corriente

de aire.

3.6.5. Caudal de aire tratado

Aprovechando la figura 3.49. vamos a estudiar cómo afecta al rendimiento la variación

del caudal de aire. Como vemos para una misma temperatura de regeneración, al aumentar el

caudal de aire el rendimiento del sistema disminuye, esto se entiende dado que se produce un

aumento de la energía aportada debido al aumento del flujo de aire, asimismo se produce un

aumento en el consumo eléctrico debido a que se mueve una mayor cantidad de aire. Por

tanto para una temperatura de regeneración será interesante coger el menor flujo posible.

3.6.6. Temperatura del aire exterior

Por último vamos a ver como hace variar las distintas posibles temperaturas del aire exterior a

los parámetros del ciclo. Vamos a usar dos de los artículos que están siendo objeto de estudio

en este apartado, debido a que dan distintas visiones de las consecuencias que tiene la

variación de la temperatura exterior. El primero de ello presenta como tiene que variar el flujo

para unas determinadas condiciones de carga en el local a acondicionar. Ello lo podemos ver

en la figura 3.50. en la que considerando una condición de humedad, constante, al ir

aumentando la temperatura del aire exterior, podemos apreciar como aumenta la necesidad

del caudal de aire tratado. Ello lo marcamos en la imagen con círculos rojos, como para un

sistema de ciclo tradicional ocurre este hecho.

Figura 3.50. Variación del caudal de aire al aumenta la temperatura para distintas condiciones de humedad. “G.

Panaras et al. Energy 36 (2011)

En la figura 3.51. vamos a presentar ahora la variación de la capacidad frigorífica, la

potencia de regeneración necesaria, y el rendimiento del ciclo, que aparecen en el artículo

“Comparison between the conventional and recirculation modes in desiccant cooling cycles

and deriving critical efficiencies of components”; Vemos que al aumentar la temperatura

exterior, disminuyen tanto la capacidad frigorífica, como la potencia de regeneración como el



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rendimiento del ciclo. Resulta interesante compararlo con la figura 3.46. en la que se hace esta

misma comparación pero con la humedad exterior, destacando que el descenso que produce

el aumento en la humedad exterior es mayor que el que produce el aumento de la

temperatura exterior. Este es un hecho significativo y a tener en cuenta, ya que la humedad

exterior será un factor crítico y con gran influencia en el sistema.


(Preg) respecto a la temperatura exterior. “P. Bourdoukan et al. / Energy 35 (2010)”

Como conclusión acerca de las variables que afectan a los sistemas, podemos decir;

- Existen un gran número de variables que afectan al sistema, y muchas de ellas no son

controlables como las condiciones exteriores.

- No todas las variables afectan igual al sistema, siendo la humedad exterior una

variable a tener en cuenta debido a su gran influencia.

- No a todos los sistemas afectan de la misma manera las variables, por ejemplo los

sistemas de recirculación que no introducen aire exterior al local, se verán menos

afectados por las condiciones del aire ambiente.

- Queda patente que será importante disponer de un buen sistema de control debido a

que son muchas las variables que afectan al buen rendimiento del sistema.

3.7. Análisis comparativo:

Cada vez más se están buscando sistemas alternativos a los sistemas tradicionales de

climatización. Como hemos ido viendo durante este proyecto, algunos de ellos se basan en la

combinación del enfriamiento evaporativo con los desecantes, y dentro de esto hemos ido

comentando que cada vez existen configuraciones posibles que están siendo estudiadas y

puestas en práctica. En este apartado lo que nos va a ocupar es la comparativa entre las



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distintas configuraciones posibles a adoptar en un sistema de refrigeración evaporativa con

desecantes. Para ello como hemos venido haciendo nos basaremos en una serie de artículos

de investigación científica, y a partir de ellos sacaremos una serie de conclusiones. Los

principales artículos en los que nos apoyaremos en este punto del proyecto serán dos;

“Performance investigation of solid desiccant evaporative cooling system configurations in

different climatic zones” y “Performance enhancement of a desiccant evaporative cooling

system using direct/indirect evaporative cooler”.

Antes de nada vamos a comentar la metodología a seguir, lo que se hará en este

apartado es analizar los documentos por separados desde tres puntos de vista;

- Análisis técnico

- Análisis de los resultados

- Conclusiones

Y posteriormente en el apartado 4 de este mismo proyecto se extraerán una serie de

conclusiones a partir del análisis de estos documentos, y de lo hablado durante todo el

proyecto.

3.7.1. “Performance investigation of solid desiccant evaporative cooling system

configurations in different climatic zones”

Comenzamos con el primero de los documentos, y vamos a realizar el análisis del

mismo desde los distintos puntos de vista. En esencia este documento lo que trata son

distintas configuraciones de sistemas de refrigeración evaporativa con desecantes que se

basan en el esquema básico, en este caso son cinco configuraciones distintas (ventilado,

ventilado modificado, recirculación, recirculación ventilado, Dunkle, Dunkle ventilado), en

distintas ciudades con condiciones climáticas distintas.

Figura 3.52. Clasificación climática de Köppen. “M. Ali et al. Energy Conversion and Management 97”

Se ha escogido este documento por lo interesante que resulta el ver como un sistema que

puede resultar apropiado para unas condiciones no lo es para otras, y como en un mismo



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clima, se producen variaciones de una configuración a otra. Las cinco configuraciones

escogidas ya han sido desarrolladas en el apartado 3.3.2. de este mismo proyecto tanto su

esquema como diagrama psicrométrico, así que por simplicidad y no redundar contenido aquí

se obviará. Las zonas climáticas escogidas en este documento son; clima

Continental/Mesotermal de Viena, clima Templado/Mesotermal de São Paulo, clima

Templado/Subtropical de Adelaida, clima Seco (árido y semiárido) de Karachi, y por último el

clima Templado/Mesotermal de Shanghai. Las distintas localizaciones que se estudian en este

artículo son zonas con datos de temperaturas y de humedades muy diversos y que se han

clasificado según la clasificación climática de Köppen, lo cual da una valiosa información al

considerar las distintas condiciones climáticas que se pueden dar. En la figura 3.52., se puede

ver donde están situadas las distintas ciudades en un mapa con las zonas climáticas de

Köppen. Las condiciones de diseño para cada una de las cinco ciudades escogidas quedan

recogidas en la imagen 3.53. En ella se puede ver cuáles son los días de diseño escogidos, que

se sitúan en la época del año con condiciones de climatización más exigentes, y las

clasificaciones de las ciudades según Köppen y Ashrae.

Figura 3.53. Condiciones climáticas para los días de diseño. “M. Ali et al. Energy Conversion and Management 97”

Figura 3.54. Condiciones climáticas ciudades seleccionadas. “M. Ali et al. Energy Conversion and Management 97”

Queda por ver las condiciones exteriores de cada una de las localidades que se usarán para la

simulación de las distintas configuraciones, en la figura 3.54. se ven la temperatura de bulbo



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seco así como la humedad relativa del ambiente para cada una de las cinco ciudades que son

objeto de estudio en el articulo anteriormente citado. Como se ha ido viendo durante este

proyecto, las condiciones ambiente tienen una gran influencia en los rendimientos térmicos

globales de este tipo de ciclos, así que resulta de especial interés el conocer cuáles serán las

condiciones del ambiente de las distintas ciudades para cada uno de los días de diseño

escogidos.

Análisis técnico:

Vamos a dar paso ahora al análisis técnico del documento. En este documento se

realiza la simulación con el software de la compañía Dymola, para cada una de las cinco

configuraciones anteriormente nombradas, y en el día de diseño que se muestra en la figura

3.53., y realizando el estudio para un periodo de 12 horas, desde las 7 de la mañana hasta las

19 de la tarde. Las condiciones básicas para la simulación de los distintos ciclos son las

siguientes;

Figura 3.55. Esquema del ciclo ventilado. “M. Ali et al. Energy Conversion and Management 97”

- Ciclo ventilado: los caudales tanto de procesamiento como de retorno serán de 2.5

kg/s, las temperaturas y humedad del aire ambiente serán cogidas de la base de datos

de la compañía ENERGYbase y serán las representadas en la figura 3.54. El aire de

retorno del local acondicionado se retornará a una temperatura de 26.7ºC con una

humedad relativa del 50%. Las condiciones operativas de la rueda desecante serán una

velocidad de rotación de 20 rph, y una temperatura de regeneración de 70ºC.

- Ciclo de recirculación y recirculación ventilado: En el ciclo de recirulación el aire

tratado será el mismo que el aire de procesamiento, y el aire ambiente será usado solo

para el tratamiento del desecante, y el intercambiador de calor. En el ciclo ventilado



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sin embargo el aire ambiente se usa también para renovación del aire del local, y se

realizará una ventilación que irá desde 5% al 40% del aire total de procesamiento.

- Ciclo Dunkle y Dunkle ventilado: El ciclo Dunkle y Dunkle ventilado cumplirá las mismas

condiciones que los ciclos de recirculación, con la única inclusión de una rueda

recuperadora auxiliar, como se dispuso en el esquema correspondiente en el apartado

3.3.2. de este mismo proyecto.

Así vamos a mostrar los esquemas de la simulación realizada para cada uno de los distintos

sistemas. El esquema para los ciclos de Dunkle y Dunkle ventilado y de recirculación y

recirculación ventilado, son los mismos, la única diferencia será la inclusión del aire de

ventilación. Así en el artículo quedan recogidos los esquemas básicos de las distintas

simulaciones;

Ahora solo queda definir los parámetros que serán objeto de control en las simulaciones. Lo

que se va a controlar será el COP, la capacidad de refrigeración, y la energía de refrigeración

entregada. Ello se basará en las siguientes ecuaciones:

CC=ṁalimentado·(hambiente-halimentado) (1)

COP= ṁalimentado·(hambiente-halimentado)/ ṁretorno·(hcalsalida-hcalentrada) (2)

En= CCtf

t0 (3)

Análisis de los resultados:

Vamos a pasar ahora a analizar los resultados obtenidos en este artículo, para

posteriormente sacar una serie de conclusiones sobre ellos. Para analizar los resultados iremos

viendo como han actuado las distintas configuraciones que son objeto del estudio en las

distintas ciudades elegidas. El artículo comienza por la ciudad de Viena así que seguiremos ese

mismo orden. En la figura 3.56., 3.57., y 3.58. se presentan los resultados obtenidos;

- Viena:

En las figuras 3.56., se puede apreciar una comparativa de los ciclos; ventilado,

recirculación y Dunkle, para cada uno de los tres parámetros objetos de control. Es bueno

observar que el COP máximo se consigue para el ciclo Dunkle en un momento puntual del día

aunque el ciclo de recirculación resulta más regular durante las doce horas estudiadas. La baja

capacidad de enfriamiento del ciclo Dunkle representa que el intercambiador de calor

adicional de este ciclo no mejora el sistema en este aspecto, aunque en contraposición si

reduce los requerimientos de energía para la regeneración de la rueda desecante, dado que el

COP, como ya se ha comentado resulta máximo en algunas horas del día. En la figura 3.56. se

han señalado mediante círculos rojos estos dos aspectos. Asimismo, podemos deducir de la

figura, que el ciclo de recirculación es quien mantiene un COP más estable en su

funcionamiento durante todo el día, y que es el que más energía de refrigeración es capaz de

entregar, esto queda señalado en la figura 3.56. mediante círculos en color azul, llegando el

artículo a la conclusión de que es este el sistema más apropiado para el clima de Viena.



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Figura 3.56. Simulación Viena para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclos Ventilado

recirculación y Dunkle. “M. Ali et al. Energy Conversion and Management 97”

Figura 3.57. Simulación Viena para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclo recirculación

ventilado “M. Ali et al. Energy Conversion and Management 97”

En la figura 3.57. se presenta el ciclo de recirculación ventilado para distintos caudales

de ventilación que van desde el 5 al 40%, y paralelamente ocurre lo mismo para la figura 3.58.

solo que para el ciclo Dunkle ventilado. En ambas imágenes se puede ver que al aumentar el



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porcentaje de aire fresco suministrado, mejoran tanto el rendimiento del ciclo como la

capacidad frigorífica de este y la energía frigorífica entregada. En la figura 3.57 se ha marcado

con un círculo rojo este hecho y sería análogo para el ciclo Dunkle ventilado, donde igualmente

se ha señalado con un círculo rojo.

Figura 3.58. Simulación Viena para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclo Dunkle ventilado “M.

Ali et al. Energy Conversion and Management 97”

Vamos a recoger ahora los datos de todas las disposiciones que han sido analizadas en una

única tabla para ver cuál de todas ellas podría ser la opción más viable para la ciudad de Viena;

CIUDAD: VIENA

Configuración Capacidad refrigeración (kW)

COP Energía frigorífica (kWh)

Ventilado 16.9 0.19 208.9 Recirculación 18.5 0.3 223.5

Dunkle 10.8 0.27 135.3 Recirculación ventilado

(5-40%) 19.2-23.9 0.29-0.33 232-287.3

Dunkle ventilado (5-40%)

12.1-19 0.29-0.4 148-231.8

Tabla 1. Resultados simulación ciudad de Viena “M. Ali et al. Energy Conversion and Management 97”

Como se señaló antes, entre los tres primeros sistemas el más óptimo el artículo

consideraba el ciclo de recirculación, ya que aunque el COP máximo se conseguía



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puntualmente con el ciclo Dunkle, globalmente se puede ver que el ciclo de recirculación

alcanza tanto un mayor COP, como capacidad frigorífica. Sin embargo, si analizamos el global

de los ciclos nos damos cuenta que tanto el ciclo de recirculación ventilado como el Dunkle

ventilado, para un 40% del aire fresco, resulta una mejor opción para la ciudad de Viena,

además del beneficio que supone la renovación del aire. Por tanto a partir de los datos de las

simulaciones que nos proporciona en el artículo, llegamos a la conclusión que para Viena el

mejor sistema sería un ciclo Dunkle ventilado, con un 40% de aire de ventilación, que sería el

que mayor COP nos proporciona, señalado con un círculo rojo en la tabla 1, a no ser que

tengamos mayores necesidades de refrigeración en cuyo caso podría interesar más un ciclo de

recirculación ventilado, con un 40% de aire fresco, ya que tiene un alto COP, y es capaz de

entregar más energía frigorífica, como queda señalado en la tabla 1 con un círculo azul.

- Karachi:

Karachi representa un clima totalmente distinto del de Viena, y resulta interesante

como va a variar los rendimientos de las distintas configuraciones. Como se puede ver en la

figura 3.59., en términos de capacidad de refrigeración, y energía de refrigeración entregada el

ciclo Dunkle presenta ventaja frente a los ciclos de recirculación y ventilado, pero por el

contrario el COP del ciclo Dunkle se sitúa bastante por debajo del ciclo de ventilación. Esto es

debido a que aunque es capaz de entrega más energía frigorífica, tiene mayores

requerimientos de energía para la regeneración del desecante por lo que disminuye su COP,

que es lo contrario que ocurre para el ciclo de ventilación, que su COP es mayor que en el ciclo

de Dunkle y en el de recirculación, debido a que, aunque tiene menor capacidad frigorífica,

también presenta menos necesidades de energía para la regeneración debido al clima más

húmedo de esta región.

Figura 3.59. Simulación Karachi para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclos Ventilado




Página 101

Figura 3.60. Simulación Karachi para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclo recirculación

ventilado. “M. Ali et al. Energy Conversion and Management 97”

En las figuras 3.60. y 3.61 podemos ver los datos obtenidos de las simulaciones en

ciclos de recirculación ventilado y Dunkle ventilado. En ellos se ve que para este tipo de climas

no supone una mejora la inclusión del aire ambiente, ya que no mejora los rendimientos del

ciclo, aunque como se ha dicho anteriormente puede que para cierto tipo de edificación sea

necesario la ventilación, por lo que sería conveniente tratar ese aire antes de introducirlo, con

objetivo de no reducir mucho el rendimiento del sistema. Dentro de estos ciclos llama la

atención que aunque hay variación en la capacidad frigorífica, el COP y la energía frigorífica

entregada prácticamente no varía para las distintas condiciones de ventilación.

Vamos a analizar la tabla con el resumen de los resultados que el artículo nos proporciona;

CIUDAD: KARACHI





(5-40%) 87.7-67.4 1.15-1.15 1050.3-874.4


87.7-704 1.66-1.63 1058.9-841.3

Tabla 2. Resultados simulación ciudad de Karachi “M. Ali et al. Energy Conversion and Management 97”



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Figura 3.61. Simulación Karachi para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclo Dunkle ventilado

“M. Ali et al. Energy Conversion and Management 97”

Como se puede ver en la tabla 2, para esta zona climática la opción que proporciona

un mejor rendimiento del sistema para las condiciones de simulación es el ciclo ventilado, cuyo

COP se acerca a 2.5, como se indica en dicha tabla mediante un cículo rojo, sin embargo frente

a mayores necesidades de refrigeración puede ser interesante el ciclo Dunkle, que como se

indica en la tabla 2 mediante círculos azules, su capacidad frigorífica y la energía frigorífica

entregada son mayores, sacrificando por el contrario parte del rendimiento del ciclo.

- São Paulo:

Pasamos ahora a analizar los resultados obtenidos para la zona climática de São Paulo, situada

en la zona central de Brasil. Comenzamos con la figura 3.62., en la que se representan los

ciclos, ventilado, recirculación y Dunkle. En ella podemos ver como en términos de capacidad

frigorífica y energía frigorífica entregada el ciclo de recirculación es superior a los otros dos

ciclos, mientras que en el rendimiento (COP), se encuentra por debajo del ciclo Dunkle, y

prácticamente en torno al ciclo de ventilación. Esto es debido a que tiene mayores

requerimientos de energía para la regeneración del desecante, de ahí su menor COP. Por tanto

de entre estos podemos considerar que la mejor opción es el ciclo Dunkle, que da un mayor

rendimiento térmico del sistema, a pesar de sacrificar un poco la potencia frigorífica. Pasamos

ahora a ver qué ocurre cuando introducimos aire fresco a los ciclos de recirculación y Dunkle.

Ello podemos verlo en las figuras 3.63 y 3.64. En ellos se puede ver que el ciclo de recirculación

ventilado no produce ninguna mejora la introducción del aire exterior, por el contrario,

produce una bajada en el rendimiento. Sin embargo al ver el ciclo Dunkle ventilado, vemos que

no se produce este descenso, lo cual es bueno ya que la calidad del aire mejora gracias a la

ventilación.



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Figura 3.62. Simulación São Paulo para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclos Ventilado


Figura 3.63. Simulación São Paulo para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclo recirculación


Cabe destacar la variabilidad en las condiciones que existe en los ensayos en los que se

introduce aire fresco. Esto es debido a las condiciones exteriores, que tienen grandes



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diferencias de unas horas del día a otras, lo que produce una inestabilidad en las gráficas como

se puede apreciar.

Figura 3.64. Simulación São Paulo para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclo Dunkle ventilado


Vamos a recoger los datos proporcionados por el artículo en la tabla 3, y así poder comprobar

cuál es el ciclo más óptimo para São Paulo;

CIUDAD: SÃO PAULO





(5-40%) 54.1-51.1 0.73-0.73 649-611.8


45.1-43.6 .85-.88 565.8-542

Tabla 3. Resultados simulación ciudad de São Paulo “M. Ali et al. Energy Conversion and Management 97”

Como vemos los resultados son muy ajustados, teniendo el ciclo Dunkle, y Dunkle

ventilado COP muy similares, así como capacidades frigoríficas parecidas. El factor



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diferenciatorio podría ser el hecho de que el ciclo Dunkle ventilado con un 40% de aire exterior

supone una mayot en la calidad del aire y confort debido a la ventilación con aire fresco, por lo

que para muchas de las aplicaciones puede ser mejor este ciclo por delante del ciclo Dunkle

tradicional, a pesar de que este presente unas prestaciones levemente superiores.

- Shanghai:

Pasamos ahora a evaluar los resultados obtenidos de la simulación de los distintos

sistemas para la ciudad de Shanghai, que tiene un clima relativamente parecido al de Karachi,

con temperaturas bastante altas, así como su humedad relativa, como se presento en la figura

3.65. Como se puede ver en la figura 3.65. se recogen los ciclos, ventilado, recirculación y

Dunkle, como ha ocurrido para los casos anteriores.

Se puede observar que ocurre algo paralelo al caso de São Paulo, y es que el ciclo con

mayor capacidad frigorífica y energía frigorífica entregadas, el ciclo Dunkle, no es el que mayor

rendimiento, COP, presenta. Como ya se comento anteriormente, esto es debido a que los

requerimientos de energía de este ciclo para la regeneración del desecante son mayores que

los del ciclo de ventilación, el cual tiene el mayor COP de los tres ciclos.

Este hecho hace que de estos tres ciclos el ciclo más interesante sea el de ventilación que

como queda señalado en la figura 3.65. mediante un círculo rojo tiene un COP bastante más

alto que los otros dos ciclos, siempre y cuando las necesidades de refrigeración lo permitan, ya

que como se remarca en dicha figura su capacidad frigorífica está bien por debajo de las de los

otros dos ciclos.

Figura 3.65. Simulación Shanghai para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclos Ventilado




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Figura 3.66. Simulación Shanghai para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclo recirculación


Figura 3.67. Simulación São Paulo para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclo Dunkle ventilado


Pasamos ahora a comentar los ciclos cuando se introduce aire fresco, cuyas simulaciones

quedan recogidas en las figuras 3.66. y 3.67. En ellas podemos ver el efecto que causa la

Ventilación

Capacidad

frigorífica

Ventilación

COP



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inclusión de la ventilación en los ciclos de recirculación y Dunkle respectivamente. Como se

puede ver claramente, la inclusión de aire exterior en ningún caso consigue alcanzar un COP

tan alto como para el ciclo ventilado. Si bien es cierto que las capacidades frigoríficas y la

energía frigorífica entregada son superiores que las del ciclo ventilado. Dentro de estos ciclos

ventilados cabe destacar que al aumentar la ventilación se produce una disminución de la

capacidad frigorífica y un aumento del COP progresivo. Ello queda recogido en la figura 3.66.

con la inclusión de una flecha roja, indicando la dirección en la que aumenta la capacidad

frigorífica y el COP.

Vamos a comparar ahora los resultados recogidos en la tabla 4, como hemos venido

haciendo hasta ahora. Como se puede ver en dicha tabla el ciclo que con diferencia tiene

mejor rendimiento es el ciclo ventilado, aunque su capacidad calorífica es algo inferior, por

tanto el ciclo que mejor se adapta a este clima es el ciclo ventilado, señalado en rojo en la

tabla 4. El siguiente ciclo que podría resultar interesante para este tipo de climas es el Dunkle,

que es el siguiente con mayor rendimiento, y que tiene una capacidad frigorífica superior al

ciclo de ventilación, pero como se ve hay un bajón grande con lo que respecta al rendimiento

entre un ciclo y otro, esto queda señalado en la tabla inferior en color azul. También hay que

tener en cuenta que el ciclo Dunkle dispone de un intercambiador de calor adicional con

respecto a los otros ciclos, por lo que el hecho de incluir este intercambiador adicional supone

un aumento del costo inicial del equipo.

CIUDAD: SHANGHAI





(5-40%) 94.9-94.3 1.22-1.46 1146.1-1135.7


94.72-75.7 1.75-1.73 1153.1-906.3

Tabla 4. Resultados simulación ciudad de Shanghai. “M. Ali et al. Energy Conversion and Management 97”

- Adelaida:

Vamos a analizar los resultados para la última de las ciudades que el proyecto nos

propone que es la ciudad de Adelaida; Como vemos en la figura 3.68. en términos de

capacidad frigorífica y energía frigorífica entregada los tres ciclos presentan características

muy similares, pudiendo considerarse levemente superior el ciclo de ventilación, pero por el

contrario, el ciclo Dunkle presenta un rendimiento, COP, mucho mayor, y esto es debido a las

ganancias que produce el intercambiador adicional de calor. Por tanto inicialmente el ciclo

Dunkle es el que mejor se adaptaría a este clima a expensas de ver que ocurre con la

introducción de aire fresco;



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Figura 3.68. Simulación Adelaida para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclos Ventilado


Figura 3.69. Simulación Adelaida para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclo recirculación


En las figuras 3.69. y 3.70. se puede ver que la adición de aire fresco no tiene ningún efecto

beneficioso con respecto a los ciclos no ventilados, independientemente de la cantidad de aire



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fresco introducido, ya que las figuran muestran que para cualquier cantidad de ventilación los

resultados son prácticamente los mismos.

Figura 3.70. Simulación Adelaida para COP, Capacidad de refrigeración, y energía entregada. Ciclo Dunkle ventilado


Así vamos a ver ahora en la tabla 5, cuál de todos los sistemas sería el más adecuado para el

clima de Adelaida;

CIUDAD: ADELAIDA





(5-40%) 36.6-35.3 0.54-0.54 446.4-429


35.1-32.2 0.92-0.85 456.8-421

Tabla 5. Resultados simulación ciudad de Adelaida. “M. Ali et al. Energy Conversion and Management 97”

Como vemos en la tabla 5, el ciclo que mayor se adapta a la ciudad de Adelaida es el

ciclo Dunkle, que es el que obtiene un mayor COP, a pesar de que la capacidad frigorífica es



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algo inferior de la que puede dar el ciclo ventilado. Cabe resaltar que aunque el ciclo Dunkle

ventilado tiene un COP un poco peor, puede que resulte interesante dado que permite la

ventilación del sistema a acondicionar.

Conclusiones:

A partir del análisis de los datos del documento “Performance investigation of solid desiccant

evaporative cooling system configurations in different climatic zones”, podemos llegar a las

siguientes conclusiones;

- Para las ciudades analizadas las configuraciones más apropiados serán el ventilado y el

ciclo Dunkle ventilado dependiendo de cada caso.

- El mayor rendimiento no tiene por que venir acompañado de una mayor capacidad

frigorífica.

- Los COP de los distintos sistemas van desde 0.3 hasta 3.03 siendo mayores para el ciclo

ventilado.

- Existe una gran variabilidad de rendimiento dentro de los distintos sistemas en un

mismo clima, asi como dentro del mismo sistema para distinto clima.

- Las condiciones ambientes serán un aspecto básico a tener en cuenta en el diseño de

un sistema de enfriamiento evaporativo con desecantes, y requerirán de un estudio

detallado.

3.7.2. “Performance enhancement of a desiccant evaporative cooling system using

direct/indirect evaporative cooler”

Vamos a dar paso ahora al análisis del segundo documento. Aunque en el primer

documento obtenemos una valiosa información acerca de las distintas configuraciones,

incluyendo en su análisis los factores ambientes externos, considero interesante analizar este

segundo documento por el hecho de que se estudian distintas configuraciones a partir de un

mismo ciclo añadiendo elementos. Es decir, a partir del ciclo básico se van añadiendo

elementos, en este caso enfriadores evaporativos directos/indirectos, con el fin de encontrar

la disposición más óptima.

Análisis técnico:

Lo primero que vamos a hacer es presentar el ciclo básico y las distintas configuraciones;

Como se puede ver en la figura 3.71., a partir de un ciclo básico o de ventilación se

establecen tres configuraciones distintas, las dos primeras constan de la adición de un

enfriador evaporativo directo/indirecto, en detrimento del tradicional enfriador evaporativo,

la segunda de ellas dispone de este mismo cambio, solo que la colocación de dicho enfriador

evaporativo varía respecto a la primera configuración, situándose justamente después de la

rueda de recuperación. En el caso de la tercera configuración, se dispone adicionalmente de

un segundo enfriador evaporativo directo/indirecto.

En el documento analizado, se realiza un estudio sobre cuál de las configuraciones

resulta con una mayor eficiencia, y como las condiciones exteriores afectan a cada una de las



Página 111

configuraciones, lo cual es interesante, ya que aunque ya hablamos sobre como las

condiciones del aire exterior pueden afectar al rendimiento de los ciclos, es interesante ver

como a unas configuraciones pueden afectar más que a otras. Para ello el artículo define las

siguientes ecuaciones;

Figura 3.71. Distintas configuraciones propuestas “E. Elgendy et al. international journal of refrigeration 51 (2015)”

Qrefrigeración=ṁalimentado·(h5-h4) (1)

Qremovido=ṁalimentado·(h1-h4) (2)

Qregeneración=ṁalimentado·(h8-h7) (3)

COP=Qrefrigeración/Qregeneración (4)



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Análisis de los resultados:

Vamos a pasar ahora a analizar los resultados que nos proporciona el artículo que está

siendo objeto de análisis;

Figura 3.72. Variación del COP, y la capacidad de enfriamento en función de la temperatura ambiente “E. Elgendy et

al. international journal of refrigeration 51 (2015)”

Lo primero que vamos a analizar es la variación de las distintas configuraciones con

respecto a la temperatura ambiente. Para ello vamos a ver como varían el rendimiento y la

capacidad frigorífica con respecto a la temperatura de entrada del aire ambiente,

considerando para este caso que la humedad presente es constante e igual a 0.015 kgv/kga, y

teniendo en cuenta que las condiciones del punto 5 son siempre iguales ya que son las

establecidas para el confort del local a acondicionar.

Figura 3.73. Variación del aire de procesamiento en función de la temperaura del aire ambiente. “E. Elgendy et al.

international journal of refrigeration 51 (2015)”

Podemos comprobar en la figura 3.72. que al aumentar la temperatura del aire

ambiente, la capacidad de refrigeración disminuye, esto es debido a que la diferencia de

entalpía entre los puntos 4 y 5 disminuye, como se puede ver en la figura 3.73. rodeado

mediante un círculo verde. Cabe destacar que no para todos los ciclos lo hace con la misma



Página 113

intensidad, se comprueba que para el ciclo convencional la temperatura exterior influye de

una manera más acusada.

En lo que respecta al rendimiento térmico del ciclo, COP, se observa igualmente que al

aumentar la temperatura del aire exterior este disminuye para todas las configuraciones, pero

en esta ocasión lo hace para todas las configuraciones de una manera similar. Resulta

interesante ver también la evolución de la potencia requerida para la regeneración del

desecante, mostrada en la figura 3.74., ya que aunque aumenta para todas las

configuraciones, se hace significativa para la configuración I. Esto hace que aunque es la

configuración que más capacidad frigorífica es capaz de entregar, su COP será más bajo debido

a los altos requerimientos de energía para renovación del desecante.

Figura 3.74. Variación de la energía de regeneración en función de la temperaura del aire ambiente. “E. Elgendy et


El aumento de esta potencia puede extrañar ya que en el apartado 3.6. de este mismo

proyecto comentamos que al aumentar la temperatura del aire exterior la potencia de

regeneración disminuía, esto realmente ocurre así, lo que pasa que como se puede ver en la

figura 3.73., en el ensayo de este artículo para la segunda temperatura de aire exterior han

considerado un aumento de la temperatura de regeneración, de ahí el aumento de la potencia

de regeneración.

Vamos a realizar ahora brevemente el mismo análisis con respecto a la humedad del

ambiente para ver cómo afecta este aspecto a las distintas configuraciones, y si lo hace de la

misma manera, para ello se considerará la temperatura del aire ambiente igual a 35ºC para

todas las configuraciones y humedades;

Como se refleja en la figura 3.75., al aumentar la humedad tanto la capacidad de

enfriamiento como el COP disminuyen, pero lo reseñable es que no todas las configuraciones

los hacen con la misma intensidad, quedando claro que tanto para la capacidad de

refrigeración como para el COP, el sistema convencional se ve más afectado que las otras

configuraciones. De nuevo la configuración I, que tiene una mayor capacidad frigorífica que las

demás, presenta un bajo COP, esto se debe a que como muestra la figura 3.76., sus



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necesidades de energía para llevar a cabo la regeneración son también mayores que para los

otros sistemas.

Figura 3.75. Variación del COP, y la capacidad de enfriamento en función de la temperatura ambiente “E. Elgendy et


Figura 3.76. Variación de la energía de regeneración en función de la temperaura del aire ambiente. “E. Elgendy et


Al igual que comentamos en el caso anterior, las necesidades de regeneración aumentan

debido a que en el artículo aumentan la temperatura de regeneración, en vez de cambiar otras

variables como el volumen de aire tratado.

Figura 3.77. Variación del aire de procesamiento para configuraciones; convencional y III. “E. Elgendy et al.

international journal of refrigeration 51 (2015)”



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Vamos a ver ahora que comportamiento presenta el aire en su evolución, para la

configuración convencional y la configuración III. Se aprecia en la figura 3.77. que con la

configuración III, podemos alcanzar temperaturas más bajas, lo que será interesante en

ambientes con un alto contenido de humedad, para alcanzar la temperatura requerida.

Vamos a ver por último una figura que nos presenta el artículo, la figura 3.78., y que recoge un

COP eléctrico, que es una función entre el consumo las bombas y los ventiladores, y que

recoge cual de las distintas configuraciones tendría más consumo eléctrico, suponiendo que el

calor aportado al calentador se realizase por captadores solares.

Figura 3.78. COP eléctrico según configuraciones. “E. Elgendy et al. international journal of refrigeration 51 (2015)”

Como se puede comprobar, de las tres configuraciones que el artículo trata, la tercera

configuración es la que mejor rendimiento eléctrico presentaría. Esto puede resultar una

ventaja a la hora del mantenimiento en la vida útil del equipo ya que supone un ahorro

energético.

Conclusiones:

Del estudio de este artículo podemos obtener las siguientes conclusiones;

- Como ya era sabido las condiciones del aire ambiente afectan a los ciclos de

refrigeración evaporativa con desecantes, pero ha quedado de relieve con este

artículo que no afectan igual a todas las configuraciones.

- Para los rangos en los que se mueve el estudio, la variación de la humedad tiene una

influencia mayor sobre el COP del ciclo que la variación de la temperatura, como se

puede ver en las figuras 3.75. y 3.72.

- La disposición de los elementos puede ser un factor crucial a la hora de los parámetros

característicos del ciclo, por ejemplo la configuración I tiene una alta capacidad

frigorífica y un bajo COP.

- Para estas tres configuraciones, la configuración número III es la que mayor COP

presenta.



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3.8. Análisis económico

Muchas pesquisas se han realizado sobre los beneficios económicos que producen este

tipo de sistemas, pero la información existente con respecto a este tema es escueta, ya que los

artículos de investigación se suelen centrar en los rendimientos del sistema y no en los gastos

que generan este tipos de sistemas, tanto iniciales, como de operación. Para evaluar los gastos

vamos a seguir con la dinámica del proyecto y lo haremos analizando algunos artículos de

investigación, en concreto dos, el primero de ellos, será “Performance comparison between a

solar driven rotary desiccant cooling system and conventional vapor compression system

(performance study of desiccant cooling)”y el segundo, “Thermo-economic performance of a

solar membrane liquid desiccant air conditioning system”.

En ambos estudios lo que se lleva a cabo es la comparación de los ciclos tradicionales de

compresión mecánica con respecto a sistemas que usan desecantes, ya sea con enfriamiento

evaporativo y desecantes sólidos como en el primer caso, o con desecantes líquidos y sistema

híbrido apoyado en compresión mecánica como el segundo caso. Vamos a dar paso al primero

de los artículos y procederemos a analizarlo.

3.8.1. “Performance comparison between a solar driven rotary desiccant cooling system

and conventional vapor compression system (performance study of desiccant cooling)”

Este artículo se ha escogido porque representa totalmente lo que queremos analizar.

En él se comparan dos disposiciones distintas, para satisfacer las necesidades de climatización

de un edificio, una con sistemas de compresión mecánica tradicionales y otra con sistemas de

enfriamiento evaporativo con desecantes. Además de eso se estudia en dos situaciones

diferentes, lo cual da una idea del ahorro según el clima.

Figura 3.79. Sistema enfriamiento evaporativo con desecantes. “T.S. Ge et al. Applied Thermal Engineering 30”

Vamos a pasar a presentar brevemente las disposiciones y a continuación pasaremos a

los datos económicos; La primera disposición la vemos en la figura 3.79., vemos un ciclo de



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enfriamiento evaporativo con desecantes, en concreto con dos ruedas desecantes, esto hará

que el coste inicial de los equipos sea mayor, pero también hará un proceso más eficiente, y

para el análisis económico no tendrá mayor influencia.

Figura 3.80. Sistema compresión mecánica. “T.S. Ge et al. Applied Thermal Engineering 30 (2010)”

La segunda disposición será la de la figura 3.80., en ella vemos un ciclo de compresión

mecánica tradicional. Una vez conocemos los sistemas vamos a pasar al análisis económico

que es lo que nos interesa de este artículo. Para ello vamos a ver las dos simulaciones que se

han realizado para ambos sistemas, tanto en Berlín como en Shanghai. En la tabla 6, podemos

ver las necesidades de equipos que tenemos para cada sistema, y los precios estimados de

ellos. Esta tabla nos es de gran ayuda, y a partir de ella podríamos calcular el precio de casi

cualquier ciclo con desecantes.

Berlín:

Componente Cantidad Propiedades Precio (€) Consumo eléctrico (kW)

Sistema desecante

Rueda desecante 2 Estructura: Cerámica Adsorbente: Gel de

sílice y LiCl2

7420 *2 0.5*2

Captador solar 550 m2 Tipo: tubos de vacio 110 (€)/m2*550 0.5 Ventilador tipo 1 1 Ventilador axial: 10.5

m3/s 1100 10

Ventilador tipo 2 4 Ventilador axial: 5.3 m3/s

550*4 3.3*4

Enfriador evaporativo

2 Eficiencia: 55-99% 2300*2 0.3*2

Intercambiador de calor

2 De placas con aletas 1050*2 -

Sistema compresión mecánica

Enfriadora 1 Tipo: De agua 68000 59



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Potencia frigorífica: 188kw

Calentador 1 Tipo: Calenteamiento eléctrico

1200 50


860 6.5


290 0.5

Tabla 6. Costes de sistemas Berlín. “T.S. Ge et al. Applied Thermal Engineering 30 (2010)”

En la tabla 6, aparecen los costes de ambos sistemas, ahora vamos a ver los datos obtenidos

en las simulaciones y a analizarlos. Como se ve en la figura 3.81., se han remarcado una serie

de círculos en distintos colores, queriendo resaltar algunas informaciones que nos ofrece el

estudio:

- En primer lugar los círculos rojos nos indican la cantidad de aire exterior. Como se

puede ver para el ciclo con desecantes, es el 100% ya que es un ciclo ventilado, como hemos

visto en numerosas ocasiones durante este proyecto, otras configuraciones posibles son

adoptables, pudiendo recircularse el aire exterior, y pudiendo llegarse a alcanzar un COP

mayor.

Figura 3.81. Simulación sistemas en Berlín. “T.S. Ge et al. Applied Thermal Engineering 30 (2010)”

En segundo lugar tenemos unos círculos azules que remarcan el consumo eléctrico de cada

uno de los ciclos. Como se puede ver, el consumo del ciclo desecante es mucho menor que el

del ciclo de compresión tradicional. Esto repercutirá en los costes e operación de los equipos

como veremos a continuación. En tercer lugar tenemos dos círculos verdes, que señalan varios



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parámetros de la figura. Todos ellos tratan sobre los aspectos económicos de los dos ciclos. El

primero de ellos es el coste inicial de los equipos, como se puede ver el coste del sistema de

compresión mecánica es un 17.38% menor que el coste del sistema de enfriamiento

evaporativo con desecante. Esto supone la mayor ventaja para este tipo de sistemas. Sin

embargo al evaluar los costes de operación, vemos que el sistema basado en desecantes

consume 1160€, frente a los 4920€ del sistema de compresión mecánica, esto supone un 324%

más lo cual con el paso del tiempo, y más con los precios que actualmente está alcanzando la

electricidad. El siguiente aspecto tratado es el coste de mantenimiento, que vemos que para

los desecantes es levemente superior, pero no en una cantidad significativa. Y por último se

estudia el periodo de retorno de la inversión inicial, en este caso, y teniendo en cuenta que se

usa un 5.4% de tasa de impuestos, en 4.7 años se recupera la inversión inicial. Este tipo de

equipos se le estima una vida larga, en torno a 15 años, por lo que obviamente será una

alternativa rentable para la climatización desde un punto de vista económico, además de los

beneficios sociales que ya hemos ido nombrando.

Shanghai:

Vamos a ver ahora los resultados para la ciudad de Shanghai, el interés de esto es ver como

afecta a los costes económicos el operar en una ciudad o en otra, teniendo en cuenta que por

ejemplo en shanghai el precio de la electricidad es menor que en Berlín 0.10 €/kW frente a

0.14 €/kW, como se indica en el artículo, así como el interés a la hora de calcular el periodo de

retorno de la inversión inicial ya que el interés en Shanghai será algo superior al de Berlín

situándose en el 5.9 %.

Componente Cantidad Propiedades Precio (€) Consumo eléctrico (kW)

Sistema desecante

Rueda desecante 2 Estructura: Cerámica Adsorbente: Gel de

sílice y LiCl2

7690 *2 0.5*2

Captador solar 680 m2 Tipo: tubos de vacio 110 (€)/m2*680 0.5 Ventilador tipo 1 1 Ventilador axial: 10.5

m3/s 1220 11


530*4 3.65*4

Enfriador evaporativo

2 Eficiencia: 55-99% 2300*2 0.3*2

Intercambiador de calor

2 De placas con aletas 1050*2 -

Sistema compresión mecánica

Enfriadora 1 Tipo: De agua Potencia frigorífica:

188kw

88000 66

Calentador 1 Tipo: Calenteamiento eléctrico

1000 16


920 7.5



Página 120


300 0.5

Tabla 7. Costes de sistemas Shanghai. “T.S. Ge et al. Applied Thermal Engineering 30 (2010)”

Pasamos ahora a analizar la figura 3.82. como hicimos para el caso anterior. Como vemos se

han señalado algunos datos como en el caso anterior, así que iremos analizándolos

análogamente:

- En primer lugar los círculos rojos nos indican el COP del sistema, destacando que para

Shanghai el COP del ciclo desecante es algo superior que para el caso de Berlín.

- En segundo lugar tenemos los círculos azules que remarcan el consumo eléctrico de

cada uno de los ciclos. En este caso el consumo del ciclo desecante sigue siendo menor que el

de compresión mecánica, pero la diferencia entre ambos ciclos se reduce, lo cual no es

positivo para el ciclo desecante.

- En tercer lugar tenemos dos círculos verdes, que señalan los parámetros económicos

como anteriormente. En este caso la diferencia en el coste inicial de los sistemas es menor lo

cual beneficia al sistema desecante, pero como vemos hay menos diferencia en el coste de

operación, por lo que como se puede ver en el último de los parámetros el periodo de retorno

del dinero será mayor que para el caso de Berlín. Resulta interesante comparar los costes de

operación de los sistemas de enfriemiento evaporativo con desecantes frente a sistemas

tradicionales. Se puede ver que con un sistema adecuado para el el entorno donde se desee

instalar, este tipo de sistemas suponen un ahorro en su ciclo de vida, a pesar de la mayor

inversión inicial. Vamos a pasar ahora a analizar el segundo artículo en que nos vamos a apoyar

para entender mejor cuales son las repercusiones económicas que tienen la instalación los

ciclos que usan desecantes, en este caso con un sistema híbrido.

Figura 3.82. Simulación sistemas en Shanghai. “T.S. Ge et al. Applied Thermal Engineering 30 (2010)”



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3.8.2. “Thermo-economic performance of a solar membrane liquid desiccant air

conditioning system”

Lo que queda claro de la investigación realizada es que los sistemas desecantes suponen una

mayor inversión inicial que los sistemas tradicionales, como se puede ver en la imagen 3.83.b.,

en la que se recogen las inversiones iniciales de distintos sistemas de desecantes, en este caso

líquidos. En la figura 3.83. se comparan los costes de operación e inversión inicial de un

sistema de refrigeración que utiliza desecante líquido (M-LDAC), y que usa como sistemas de

calentamiento para el regenerador, energía solar (S), una caldera de gas natural (NG), o una

bomba de calor (HP). Y que eventualmente puede disponer un intercambiador de calor para

recuperación (ERV), aunque para el análisis económico este hecho no es relevante, siendo el

sistema tradicional de compresión mecánica (CAC).

Queda claro que la inversión inicial en los sistemas tradicionales, en la figura en un círculo rojo,

resulta muy por debajo de los sistemas que incorporan desecantes. Por el contrario, y también

señalado mediante un círculo rojo, podemos encontrar que sus consumos son más altos que

en la mayoría de sistemas que utilizan desecantes. Es interesante ver como los dos equipos

que tienen un mayor coste inicial son los que menos coste de operación tienen, en la figura

con un círculo verde. Por último cabe destacar que los sistemas que incluyen captadores

solares para la regeneración suponen un ahorro en los costes de operación aunque tienen un

mayor coste inicial, esto queda señalado mediante círculos rosas.

Figura 3.83. (a) Costes de operación, (b) costes inicial. “A.H. Abdel-Salam et al. Solar Energy 102 (2014)”

Es interesante analizar también la figura 3.84., en la que encontramos los costes del ciclo de

vida (LCC), el periodo de retorno (PBP), y las emisiones de CO2. Es interesante ver que los

costes en los ciclos de vida, son menores que para los sistemas tradicionales, de forma general,

aunque hay casos aislados como los señalados con un círculo rojo, en los que obviamente no

es interesante en este aspecto.También se nos presenta el periodo de retorno del dinero



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invertido, siempre con respecto al sistema tradicional, se puede ver que en la mayoría de los

casos, la mayor inversión inicial se acaba recuperando en periodos de tiempo razonables,

teniendo en cuenta los tiempo de vida estimados de este tipo de instalaciones, como se señala

en azul en la figura, hay algunos sistemas que ya en 3 años supondrían una ventaja con

respecto al sistema tradicional.

Figura 3.84. (a) Costes de ciclo de vida, (b) Periodo de retorno (c) Emisiones de CO2. “A.H. Abdel-Salam et al. Solar

Energy 102 (2014)”

Figura 3.85. Rendimiento y costes de diferentes opciones tecnológicas de captación solar y refrigeración para

sistemas de refrigeración solar. “Kim et al, 2008”



Página 123

Por último, un aspecto fundamental y que se ha venido comentando durante el proyecto es el

beneficio social que producen este tipo de sistemas, y que queda patente en la reducción de

las emisiones de CO2 que se produce para los equipos que usan desecantes frente a los

sistemas tradicionales, y que queda reflejado en la imagen con un círculo verde.

Una vez hemos visto cuales podrían ser las diferencias entre los sistemas con

desecantes y un sistema tradicional, nos vamos a apoyar en la figura 3.85, que hace un análisis

de los costos de los distintos sistemas de refrigeración en función de los distintos sistemas.

Como conclusión obtenemos que los sistemas que usan desecantes suponen más

inversión inicial que los sistemas tradicionales, pero por el contrario suponen un beneficio en

los costes de operación, y en un tiempo razonable es posible la recuperación de la inversión

inicial, y con respecto al uso de captadores solares hay que tener en cuenta que aunque

suponen un ahorro en el coste de operación, suponen un aumento importante en el coste

inicial, por lo que resultará interesante si se planea la instalación a largo plazo.



Página 124

4. Resumen y conclusiones

La compleja situación del mercado energético es cada día una preocupación mayor

para el común de los ciudadanos. El encarecimiento de la energía eléctrica, y la mayor

preocupación por el medio ambiente, hace que se busquen alternativas a las tecnologías

tradicionales, habiendo una clara apuesta por las tecnologías renovables como prueban la

aparición de cada vez más modelos de coches eléctricos o que países como Costa Rica se

abastezcan durante meses solo de energía eléctrica. En este contexto, este proyecto trata de

seguir la tendencia actual hacia este tipo de tecnologías.

Existen muchos sistemas para la producción de frío, alguno basados en medios químicos y

otros en medios físicos, siendo estos últimos los más usuales y dentro de los que se

encuentran los sistemas más tradicionales, como son; compresión mecánica, adsorción,

absorción y refrigeración evaporativa. Así se ha explicado en este proyecto las distintas

tecnologías existentes, se ha buscado poner de relieve los sistemas de refrigeración que se

apoyan en la energía solar para su funcionamiento (absorción, adsorción y refrigeración

evaporativa con desecantes), frente a los sistemas tradicionales (compresión mecánica), y

dentro de estos sistemas de refrigeración solar se va a realizar especial hincapié en los

sistemas de refrigeración evaporativa con desecantes.

Los sistemas de refrigeración solar son sistemas que aprovechan la energía obtenida de la

radiación proveniente del sol, para generar frío a partir de distintos procesos. Esta energía es

captada mediante distintos tipos de captadores solares, dependiendo de la aplicación

requerida y la temperatura de trabajo, siendo para este tipo de aplicaciones los colectores

planos y de tubos de vacío los más usados. Estos colectores obtienen la energía solar y la

transfieren a partir de un fluido caloportador, pudiendo ser almacenada esta energía en

tanques de almacenamiento para aprovechar esta energía en periodos de baja radiación.

Resulta muy interesante el uso de este tipo de energía para refrigeración dado que los

periodos de más alta demanda de frío coinciden con el periodo de mayor radiación solar, por

lo que supone un inteligente aprovechamiento de los recursos. Durante este proyecto se habla

sobre el uso de esta energía solar para los sistemas de absorción y adsorción, pero es el tema

de la refrigeración evaporativa con desecantes donde más se centra este estudio.

Así los sistemas de refrigeración evaporativa con desecantes son sistemas, que aunque pueden

contar con distintas variaciones, en esencia están compuestos por;

- Una rueda desecante, que está compuestas por una superficie mallada de soporte y

una sustancia desecante, y que se encarga de retirar la humedad del aire para hacer más

efectivo el proceso de enfriamiento evaporativo.

- Una rueda de recuperación, en la que una superficie metálica que permite el paso del

aire, gira permitiendo el intercambio de calor entre ambas corrientes sin que haya mezcla de

los fluidos.

- Un enfriador evaporativo, que es el encargado de enfriar y humedecer el aire hasta las

condiciones de admisión al local necesaria. Este tipo de tecnologías tienen una alta eficiencia, y



Página 125

más debido al proceso de desecación inicial, y tienen el enorme beneficio de que funcionan

con agua, elemento abundante y no contaminante en absoluto.

- Por último cuentan con un calentador, que suele estar alimentado por el fluido

proveniente de los captadores solares, y en el que se consigue la temperatura necesaria para

regenerar el desecante y continuar el proceso.

Estos sistemas han seguido tradicionalmente este tipo de configuración, pero cada vez más se

están usando desecantes líquidos en vez de los tradicionales desecantes sólidos, aunque aun

son minoría en el mercado y son sistemas más experimentales que comerciales, por lo que en

este proyecto no tienen tanta relevancia.

Para entender mejor como funcionan los sistemas de refrigeración evaporativa con

desecantes, se ha realizado un análisis de sensibilidad de las distintas variables que pueden

afectar a estos sistemas. Se comprueba como evolucionan estos sistemas al variar distintos

parámetros como son:

- Velocidad de rotación

- Contenido de vapor de agua del aire ambiente

- Relación de flujo

- Temperatura de regeneración

- Caudal de aire tratado

- Temperatura del aire exterior

Y se estudia como afecta a los parámetros principales como son capacidad calorífica, energía

de regeneración y rendimiento térmico. Todo ello nos ayuda a conocer mejor estos sistemas y

entender que las variables exteriores como son la humedad, afectan significativamente a estos

equipos.

En la parte final de este proyecto se realiza un estudio sobre las distintas

configuraciones de los sistemas de refrigeración evaporativa con desecantes, a fin de

encontrar la mejor configuración posible para estos equipos, y para todo ello este proyecto se

apoya en el análisis de distintos artículos de investigación, y realizando un análisis de ellos. Las

distintas configuraciones son simuladas para distintos ambientes y se extraen numerosos

datos, tras la recolección de estos datos y su posterior estudio, se alcanzan una serie de

conclusiones, a saber:

Desde un punto de vista tecnológico, extraemos las siguientes conclusiones:

- Este tipo de tecnologías cada día son más viables. El desarrollo de nuevos desecantes,

y el mayor estudio y conocimiento de este tipo de ciclos, está llevando a un aumento

de este tipo de tecnologías, que está tomando su mayor presencia en países como

Alemania, lo cual resulta un hecho significativo.

- Destaca la aplicación de este tipo de sistemas de refrigeración con aporte de energía

solar. Como se ha puesto de relieve en el proyecto, gran parte de la energía necesaria

para la regeneración del desecante se puede aportar a partir de la energía obtenida de

la radiación solar, lo cual supone un ahorro importante en el consumo de energía y

hace estas tecnologías más atractivas.



Página 126

- No existe una configuración idónea para este tipo de sistemas, dependiendo de las

condiciones ambientales del lugar donde se instalan, será más apropiado optar por

una configuración o por otra, como se ha ido poniendo de relieve durante este

proyecto. Sí cabe destacar, que para una misma configuración, la inclusión de nuevos

elementos como los evaporadores directos/indirectos puede suponer una ventaja.

- Las condiciones ambiente son una variable a tener en cuenta en este tipo de sistemas.

El rendimiento se ve afectado por las condiciones de los distintos lugares, siendo la

humedad ambiente el valor que más afecta al rendimiento en este tipo de sistemas,

por lo que será importante realizar un estudio del equipo a instalar dependiendo de

las condiciones ambiente, para así poder adoptar la configuración más indicada según

las condiciones climáticas del lugar.

- Se destaca como uno de los grandes valores de este tipo de sistemas, el beneficio

medioambiental que supone. Cabe destacar que pueden suponer hasta una reducción

del 50% en el CO2 generado, lo cual debería ser un incentivo para la población a la hora

de adoptar este tipo de sistemas. Más allá del beneficio económico que pueda

suponer a largo plazo, es un aspecto a destacar el hecho del beneficio

medioambiental, y es este aspecto una de las características a tener en cuenta en el

futuro de este tipo de sistemas, ya que cada vez con más insistencia, se está tendiendo

hacia este tipo de sistemas.

- Resulta interesante en estos sistemas la posibilidad de acoplarse con otros sistemas,

ya sean tradicionales o de climatización solar, lo cual los hace viable para casi cualquier

tipo de climas, pudiendo combinar los beneficios de estos sistemas con los de otros,

como pueden ser los equipos de adsorción y absorción.

- Además del ahorro energético, destacar que el fluido de trabajo es el agua, un

elemento abundante, y que no contamina. La reducción del uso de refrigerantes que

son nocivos para el medio ambiente, suponen un incentivo en su uso.

- - Como inconvenientes, cabe destacar el gran tamaño de este tipo de máquinas,

la necesidad de mover grandes caudales de aire, en torno a 20-30 m3/h por cada m2

acondicionado, y caudales volumétricos que suelen ir desde los 4000 m3/h hasta los

14000 m3/h, hace que necesiten de bastante espacio para su instalación. Además hay

que tener en cuenta que de disponer de aporte de energía solar será necesario el

espacio para la colocación de los paneles, por lo cual son sistemas que se adecúan

mejor a locales comerciales grandes, o a una climatización centralizada en un edificio,

que a la climatización de una única vivienda.

- Otro de los inconveniente de este tipo de sistemas es el menor rendimiento, en

comparación con otros sistemas, mientras los sistemas de compresión mecánica

tienen un COP de entre 2-6, este tipo de sistema se mueve entre 0.5-3, lo cual supone

una gran desventaja. Es aquí donde tiene que entrar en juego la energía solar, que es

energía que se obtiene de forma gratuita.

- Asimismo, resulta un inconveniente, que en épocas de calefacción, puede ser

necesario un aporte de energía externa, lo cual puede aumentar los costes y disminuir

el rendimiento del equipo.

Desde el punto de vista económico, llegamos a la conclusión de que:



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- Los sistemas de refrigeración evaporativa mediante desecantes suponen un ahorro en

el medio largo plazo con respecto a los sistemas tradicionales. Se ha comparado

durante el proyecto la simulación de sistemas tradicionales frente a este tipo de

sistemas, y se ha podido comprobar que en un plazo de 3-5 años, se recupera la mayor

inversión inicial que supone estos sistemas. Teniendo en cuenta la vida útil que se les

suele estimar a los sistemas de acondicionamiento de aire, es un periodo razonable,

resultando así que este tipo de sistemas resulta rentable con el tiempo.

La gran ventaja de este tipo de sistemas radica en el ahorro de la energía consumida,

frente a los sistemas tradicionales, que puede rondar hasta el 70% menos para los

sistemas de refrigeración evaporativa con desecantes, lo cual unido al alto precio

actual de la electricidad, supone un gran incentivo para la instalación de este tipo de

sistemas.

- Como inconvenientes, y principal barrera para la instalación de este tipo de sistemas,

destaca la mayor inversión inicial que supone. Los sistemas de refrigeración

evaporativa con desecantes, pueden suponer hasta un 20% más en la inversión inicial,

lo cual puede suponer un inconveniente para quien se decida a instalar uno de estos

equipos. Como se ha señalado, a largo plazo esta inversión se acaba recuperando

debido al menor consumo de energía, pero la ausencia de este tipo de estudios a la

hora de instalar los equipos supone un hándicap para estos sistemas.

- Los costes de mantenimiento pueden ser algo superiores que los sistemas

tradicionales, ya que la corriente puede arrastrar partículas, que de depositarse en la

rueda desecante pueden reducir el rendimiento de esta.

Por tanto, este tipo de sistemas cuentan con una serie de ventajas e inconvenientes, pero

dentro de ellos hay que poner de relieve tanto el beneficio social que suponen, debido a que

son altamente respetuosos con el medio ambiente, como el ahorro a medio plazo que pueden

suponer para el usuario. Por lo tanto hay que comenzar a ver este tipo de sistemas como una

alternativa viable y posible, frente a los sistemas tradicionales de refrigeración.



Página 128

5. Bibliografía

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[20] Archibald J., A new desiccant evaporative cooling cycle for solar air conditioning and hot

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Página 130

Anexos

- Fabricantes

Aunque aun este tipo de sistemas no están comúnmente extendidos, ya se pueden encontrar

algunos fabricantes que los aplican, por ejemplo la empresa advantix ya aplica sistemas de

desecante líquido para acondicionamiento de aire:

Figura a.1. Sistema de refrigeración con desecante líquido. “Advantix system”

En su página se puede encontrar su catálogo de productos, incluso realizan una

comparación relatando las virtudes de los sistemas con desecante líquido frente a los

desecantes sólidos.

No obstante resulta complicado encontrar fabricantes de este tipo de equipo, y la mayoría de

los equipos que se instalan forman parte de programas para la incentivación de este tipo de

tecnologías, en el que los equipos se forman como una composición de distintos fabricantes.

Esto sí es fácil encontrar. Existen una gran cantidad de fabricantes para cada uno de los

elementos por separados, por ejemplo la compañía Munters suministra deshumidificadores y

enfriadores evaporativos, así como la compañía Klingenburg, de las que se muestran los

enlaces a continuación:

http://www.klingenburg.de/

https://www.munters.com/es/



Página 131

Figura a.2. Comparación de sistemas desecante sólido y líquidos. “Advantix system”

En la página siguiente se incluye una comparativa entre distintas ruedas desecantes, en la que

se pueden ver, las distintas estructuras soportes, así como las sustancias desecantes, tamaños,

temperaturas de regeneración, etc.:



Página 132

Figura a.3. Comparación de ruedas desecantes. “U. Eicker et al. Applied Thermal Engineering 42 (2012) 71-80”



Página 133

rubén Álvarez fernández proyecto fin de...

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