Comprensión de las soluciones de refrigeración por líquido refrigeradas por aire, refrigeradas por agua, adiabáticas e híbridas
Por Stephen G. Kline, PE, MBA, gerente de aplicaciones de productos, Baltimore Aircoil Company
Los sistemas de enfriamiento para aplicaciones de comodidad, refrigeración e industriales generalmente utilizan uno de los tres métodos principales para el rechazo de calor: enfriado por aire, enfriado por agua o adiabático. El enfriamiento híbrido, el rechazo del calor utilizando dos o más de estos métodos, también ha ganado popularidad en los últimos años. Para elegir el sistema de enfriamiento óptimo, el ingeniero debe considerar el clima, el costo operativo deseado, la disponibilidad de agua, la carga de enfriamiento y cualquier otro objetivo y restricción potencial específico del sitio, como el mantenimiento.
Los sistemas enfriados por aire usan enfriamiento seco. El aire pasa sobre un intercambiador de calor con aletas que contiene el fluido del proceso. El calor sensible se transfiere del fluido del proceso en el intercambiador de calor a la corriente de aire que fluye a través de la unidad. Para enfriar eficientemente el fluido del proceso a la temperatura deseada para el sistema, la temperatura de bulbo seco debe ser significativamente más baja que la temperatura del fluido. En climas cálidos y durante períodos de temperatura ambiente alta, esta tecnología da como resultado temperaturas de diseño de fluidos de proceso más altas y eficiencias generales del sistema más bajas.
Las unidades enfriadas por aire también consumen una gran cantidad de energía para operar los ventiladores, que deben mover un gran volumen de aire. También se requiere un área de superficie de transferencia de calor significativamente mayor que con otros métodos de enfriamiento, lo que generalmente da como resultado una huella mucho más grande para los enfriadores secos que los sistemas que utilizan el rechazo de calor evaporativo o adiabático. La mayor temperatura de funcionamiento del diseño del sistema da como resultado un consumo de energía significativamente mayor para el sistema. Finalmente, debido a que el sistema funciona con temperaturas de fluido de proceso más altas y el calor es el enemigo de los sistemas mecánicos, la vida útil del sistema es más corta que los sistemas de enfriamiento alternativos que ofrecen temperaturas de diseño más bajas.
Los sistemas enfriados por agua generalmente usan el rechazo de calor por evaporación para maximizar la eficiencia energética y el rendimiento térmico. El enfriamiento por evaporación rechaza eficientemente el calor del agua recirculante y descarga aire tibio y húmedo a la atmósfera al utilizar tanto el potencial sensible como el latente del aire. El rechazo del calor evaporativo reduce significativamente la potencia requerida del ventilador, el espacio ocupado y, lo que es más importante, el consumo total de energía del sistema. Este consumo de energía es significativamente menor que el uso total de energía de sistemas de tamaño similar que utilizan enfriamiento por aire o rechazo de calor adiabático. En torres de enfriamiento, enfriadores de líquidos y condensadores evaporativos, un sistema de rociado hace pasar agua sobre medios de relleno y/o un intercambiador de calor. Utilizando la misma física que la transpiración, el proceso de evaporación enfría la superficie del agua a medida que las moléculas de H2O pasan de la fase líquida a la gaseosa. Luego, el calor se rechaza a la corriente de aire a través de la unidad y finalmente a la atmósfera a través del proceso de enfriamiento por evaporación.
El proceso de evaporación depende de la capacidad del aire que ingresa para absorber las moléculas de agua evaporadas utilizando la fuerza impulsora de la entalpía del aire. Cuanto más seco y menos húmedo sea el aire, mayor será este potencial, como lo indica la temperatura de bulbo húmedo, que siempre es igual o menor que la temperatura de bulbo seco del aire. La temperatura de bulbo húmedo está relacionada con la cantidad de humedad en el aire en relación con la temperatura de bulbo seco. Una torre de enfriamiento por evaporación puede reducir el fluido del proceso en el intercambiador de calor a unos pocos grados de la temperatura de bulbo húmedo. Las torres de enfriamiento por evaporación y los enfriadores de líquidos han demostrado ser soluciones de enfriamiento potentes y de bajo consumo en todos los climas. Si bien utilizan agua, que generalmente es mucho menos costosa que la energía, sigue siendo un recurso natural importante para conservar. Esta conservación se logra desarrollando e implementando un programa efectivo de tratamiento de agua para el sitio.
El enfriamiento adiabático también utiliza la evaporación, pero como un medio para enfriar el aire que ingresa y pasa a través de un intercambiador de calor con aletas. En un sistema diseñado y operado correctamente, el intercambiador de calor con aletas se mantiene seco, protegiendo las superficies de las incrustaciones y la corrosión. El enfriamiento adiabático del aire se puede lograr rociando agua en la corriente de aire o usando almohadillas húmedas que brindan una superficie para que el agua y el aire interactúen. En el primer caso, el objetivo es que el agua rociada en la corriente de aire se evapore antes de llegar al serpentín con aletas, evitando la formación de incrustaciones y la corrosión en el serpentín que pueden afectar negativamente la eficiencia del sistema y la vida útil del equipo. En el segundo caso, se usa una almohadilla húmeda para enfriar la corriente de aire que ingresa. Las almohadillas están especialmente diseñadas para retener agua en la superficie de las almohadillas para garantizar que no se traslade al serpentín con aletas, lo que minimiza el riesgo de daños en el serpentín.
El uso de una pequeña cantidad de agua para preenfriar el aire que ingresa al intercambiador de calor reduce el flujo de aire y la potencia del ventilador requeridos en comparación con las unidades enfriadas por aire, al mismo tiempo que reduce la temperatura del fluido de regreso al sistema. En los sistemas adiabáticos más eficientes, el aire se enfría cerca de la temperatura de bulbo húmedo. Tal depresión sustancial de la temperatura del aire da como resultado un aumento significativo en la capacidad de enfriamiento seco y la eficiencia energética en comparación con los diseños solo secos. Una vez que la temperatura ambiente comienza a acercarse al punto de congelación, o durante momentos de carga reducida, la unidad puede cambiarse para operar en un modo de solo secado, disminuyendo así el uso de agua.
Los controles del sistema de rechazo de calor adiabático están diseñados para ser flexibles, inteligentes y fáciles de usar, aprovechando al máximo los modos de funcionamiento duales. En un punto de diseño seleccionado por el cliente, como un ambiente de bulbo seco más frío y una carga de calor más baja, la unidad puede apagar el agua recirculante y cambiar a la operación en modo seco. Además, el sumidero de agua de recirculación de bajo volumen se drena automáticamente cuando se experimentan temperaturas bajo cero, lo que elimina la necesidad de calentadores de sumidero.
El diseño de recirculación de un sistema de rechazo de calor adiabático consume menos agua que una torre de enfriamiento por evaporación. Tenga en cuenta que algunos diseños utilizan un sistema de humectación de "un solo paso" que puede aumentar sustancialmente el uso de agua, en comparación con el sistema de tipo recirculante. Sin embargo, tales diseños también pueden violar los códigos locales que prohíben el uso de enfriamiento de un solo paso, por lo que se debe consultar a los funcionarios del código local.
Los productos de refrigeración híbridos utilizan una combinación de tecnología de rechazo de calor seco y evaporativo. Combinando los beneficios de ambos, los productos híbridos pueden ser ideales para aplicaciones sensibles al agua y al mismo tiempo ofrecer una alta eficiencia energética. Tienen la opción de operar "húmedo", agregando los beneficios asociados con el rechazo de calor evaporativo o adiabático, así como operar en modo seco. Dependiendo de los requisitos de agua y energía del cliente, junto con las condiciones ambientales, estos productos pueden cambiar la carga al método adecuado de rechazo de calor para optimizar la conservación de agua y energía para un sitio específico.
BAC, el líder en soluciones de enfriamiento sostenible, crea tecnología de rechazo de calor de vanguardia para satisfacer las necesidades de nuestros clientes: las soluciones de enfriamiento por aire, por agua, adiabáticas e híbridas están todas disponibles y cada una ofrece ventajas únicas para su sistema. Comuníquese con su representante de ventas local de BAC para obtener ayuda en la elección de la solución de enfriamiento óptima para su próximo proyecto.
Dry Cooling (Air Cooled)
Air cooled systems use dry cooling. Air passes over a finned heat exchanger containing the process fluid. Heat is sensibly transferred from the process fluid in the heat exchanger to the airstream flowing through the unit. To efficiently cool the process fluid to the desired temperature for the system, the dry bulb temperature must be significantly lower than the fluid temperature. In hot climates and during periods of high ambient temperatures, this technology results in higher process fluid design temperatures and lower overall system efficiencies.
Air cooled units consume a great deal of energy to operate the fans, which must move a large volume of air. Significantly more heat transfer surface area than the other cooling methods is also required, typically resulting in a much larger footprint for dry coolers than systems that utilize either evaporative or adiabatic heat rejection. The higher system design operating temperature results in significantly greater energy consumption for the system.
Advantages of Dry Cooling
- No Water Used: Dry coolers are ideal for projects or regions where water is extremely limited or when water quality is a concern. Additionally, dry coolers are considered when all of the electricity to a site is available with renewable power sources, such as wind or solar.
Evaporative Cooling (Water Cooled)
Water cooled systems typically use evaporative heat rejection to maximize energy efficiency and minimize footprint of an installation. Evaporative cooling efficiently transfers heat from the recirculating water and discharges warm, moist air to the atmosphere by utilizing both the sensible and latent potential of the air. Evaporative heat transfer significantly reduces the required fan power, footprint, and, most importantly, the overall system energy consumption. This energy consumption is significantly less than the total energy usage of similarly sized systems utilizing either air cooled or adiabatic solutions. In cooling towers, fluid coolers, and evaporative condensers, a distribution system passes water over a heat exchanger such as fill media, coil or other heat exchanger. Using the same physics as perspiration, the evaporative process cools the surface of the water as the H2O molecules transition from the liquid to the gas phase. Heat is then transferred to the airstream and ultimately into the atmosphere through the evaporative cooling process.
The evaporative process is dependent on the ability of the entering air to absorb the evaporated water molecules using the enthalpy driving force of the air. The drier and less humid the air, the higher this potential, as indicated by the wet bulb temperature, which is always equal to or less than the dry bulb temperature of the air. The wet bulb temperature is related to the amount of moisture in the air relative to the dry bulb temperature. An evaporative product can lower the process fluid in the heat exchanger to within a few degrees of the wet bulb temperature. Evaporative products have proven to be powerful, energy-efficient cooling solutions in all climates.Evaporative products use the power of water to save significant amounts of energy. To optimize the water used, design considerations evaluating water quality, upgrading the materials of construction of the units and implementing an effective water treatment program.
Advantages of Evaporative Cooling
- Lower process fluid temperatures can be achieved: The amount of evaporation, and hence heat transfer, depends on the wet bulb temperature instead of dry bulb temperature. Especially in the summer this wet bulb temperature is far lower than the equivalent dry bulb temperature. For example, during hot summer days with dry bulb temperatures exceeding 95°F, the wet bulb could be as low as 71.6°F, making it possible to cool the process fluid down to 77°F using evaporative cooling.
- Compact Design: This design results in 50% area savings compared to comparable air-cooled installations. This also makes them easier to install.
- Refrigerant Charge: The highly efficient design consists of a more compact heat exchanger resulting in a low refrigerant charge.
- Considerable Energy Savings: Evaporation removes more heat in comparison to conventional air-cooled methods for heat transfer, while requiring four times less airflow.
Adiabatic Cooling
Adiabatic cooling products also uses evaporation, but as a means of cooling the entering air passing through a finned heat exchanger. In a properly designed and operated system, the finned heat exchanger stays dry, protecting the surfaces from scale and corrosion. The air can be cooled by either spraying water into the airstream or by using wetted pads that provide a surface for water and air to interface. In the first case, the goal is that the water sprayed into the airstream evaporates before reaching the finned coil, avoiding scaling and corrosion on the coil which can negatively impact system efficiency and equipment lifetime. In the second case, a wetted pad is used to cool the entering airstream. The pads are specially designed to retain water on the surface of the pads to ensure that it does not carry over to the finned coil minimizing the potential for scale and corrosion. The water distribution system maximizes pad efficiency by effectively wetting the pad to minimize process fluid temperatures and prevent scale formation.
Advantages of Adiabatic Cooling
- Water Savings: The use of a small amount of water to precool the air entering the heat exchanger lowers the required airflow and fan power compared to air cooled units, while also lowering the fluid temperature back to the system. In the most efficient adiabatic systems, the air is cooled close to the wet-bulb temperature. Such substantial depression of the air temperature results in a significant increase in cooling capacity and energy efficiency compared to dry-only designs. Once the ambient temperature begins to approach freezing, or during times of reduced load, the unit can be switched to operate in a dry-only mode, thus decreasing water usage.
- Multiple Modes of Operation with Controls: Adiabatic product controls are designed to be flexible, intelligent, and customer-friendly, taking full advantage of the dual operating modes. At a customer-selected design point, such as a cooler ambient dry bulb and a lower heat load, the unit can turn off the water and switch to operation in dry mode. Additional control features include a daily maintenance mode, energy saver, or water saver mode.
Hybrid Cooling
Hybrid products use a combination of dry and evaporative cooling technology. Combining the benefits of both, hybrid products can be ideal for water-sensitive applications while still offering high energy efficiency.
Advantages of Hybrid Cooling
- Balances Water and Energy: Hybrid cooling products have the option to operate “wet”, adding the benefits associated with either evaporative or adiabatic heat rejection, as well as operate in a dry mode. Depending on the customer’s water and energy requirements, along with ambient conditions, these products can shift the load to the proper method of heat rejection to optimize the conservation of both water and energy for a specific site.
- Lower process fluid temperatures can be achieved: Since this unit can operate in “wet” mode, this hybrid products can achieve low process fluid temperatures and lower system operating costs.
- Compact Design: Footprint savings compared to comparable dry cooler or adiabatic installations.
BAC, the leader in sustainable cooling solutions, creates cutting-edge heat rejection technology to meet our customers’ needs: air cooled, water cooled, adiabatic, and hybrid cooling solutions are all readily available, each offering unique advantages for your system. Contact your local BAC Sales Representative for assistance in choosing the optimal cooling solution for your next project.