Este documento presenta un análisis comparativo del rendimiento de enfriadores evaporativos con paneles de diferentes formas y materiales. Se evaluaron paneles rectangulares, cilíndricos y hexagonales fabricados con papel, corrugado, polietileno y álamo. Los resultados mostraron que el panel de álamo tuvo la mayor eficiencia de saturación debido a su mayor área de superficie mojada por unidad de volumen. En general, los paneles hexagonales tuvieron el mejor rendimiento, seguidos por los cilínd

1. Análisis comparativo de rendimiento de
enfriadores con paneles de formas y
materiales alternativos.
OPERACIONES UNITARIAS II
POR:
GUILLERMO LE BLOHIC MEDRANO
INSTRUCTOR:
MARCO ANTONIO NUÑEZ ESQUER
16/OCT/14

2. Índice
Introducción
Metodología
Resultados y discusiones
Conclusiones
Bibliografía

3. Introducción
El enfriamiento evaporativo es un proceso termodinámico.
Cuando aire caliente y húmedo pasa sobre una superficie
húmeda, el agua se evapora y el aire pierde su calor sensible y
gana cantidad de calor latente de vapor de agua lo que reduce
su temperatura. Así, el sistema es más eficiente en climas
cálidos y secos.

4. El enfriador más común usa un panel mojado el cual el aire
atraviesa a velocidad uniforme para que sea saturado. Los
paneles pueden ser humedecidos por gotas de agua en la parte
superior con ayuda de una bomba de recirculación. Tal sistema
es conocido como enfriamiento por evaporación directa. Si el
aire entrante tiene baja humedad, entonces más cantidad de
agua podrá ser evaporada y habrá más reducción de
temperatura.

5. Sin embargo, estos no controlan la temperatura ni la
humedad con precisión, su capacidad de enfriamiento
depende de las condiciones del aire exterior. También
hay aumento de la humedad durante el proceso.
Diferentes investigadores se esforzaron por mejorar el
rendimiento de este sistema realizando cambios en
diseño, materiales y proceso.

6. Metodología
- Condiciones del ambiente:
Datos climáticos en Bhopal, India.
TBS : 39.9 ˚C
HR : 32.8 %

7. Todas las propiedades del aire hacen referencia a esta
temperatura. La densidad y viscosidad cinemática son
corregidas por altitud en Bhopal.
ρ =1.068 kg/m3
Cpa = 1007 J/kgK
v = 17.95 × 10-6 m2/s
k = 0.02662 W/mK
Pr = 0.7255
El calor específico del aire húmedo está dado por:
Cpu = Cpa + ωa Cpv -------------------------------------------- ec.
(1)
Donde:
Cpv = 1868 J/kgK ; ωa = 0.01615 kg/kg aire seco

8. Formas y parámetros geométricos
-Panel rectangular
-Panel cilíndrico
-Panel hexagonal

9. Materiales
celulosa papel
corrugado
polietileno
de alta Álamo
densidad

10. Panel rectangular
Esto es una forma convencional que es
utilizado por la mayoría de los enfriadores
evaporativos. El aire fluye horizontalmente a
través del panel entrando de un lado y dejando
el otro.

11. El área total de la superficie mojada de esta forma para
cada material se muestra en la figura 1. Ancho y altura
del panel se toman como 0.6m y 0.6m respectivamente,
el cual da un área de 0.36 m². A un valor de velocidad
máxima de 2.25 m/s, el flujo volumétrico del aire es
obtenido como 48.6 cm. El grosor del panel vale 0.15 m.

13. La Figura 2 muestra los paneles rectangulares con
arreglo de 3 lados y aire que está siendo sacado de un
lado. Tal tipo de arreglo se utiliza comúnmente en
refrigeradores comerciales, pero el grosor de los paneles
utilizado es mucho menor. El análisis realizado por un
lado en los tres lados. El aire va a entrar con el mismo
saturando la eficiencia de tres lados y el flujo másico total
de aire será el triple de un solo lado.

15. Los parámetros geométricos fueron calculados de la siguiente manera:
Area del panel--------------------------------------------- Afi= H × W ec. (2)
Volumen del panel----------------------------------- Vp = H × W × l ec. (3)
Flujo volumétrico del aire------------------------------ Vf = Afi × Vi ec. (4)
Como zona de entrada y salida del panel rectangular es la misma ,la
velocidad de entrada y salida y por lo tanto la velocidad media
permanece igual. La superficie húmeda de material de celulosa es de
370 m2/ m3,

16. así que el área total de la superficie húmeda del panel rectangular de este
material esta dada por:
Área total de superficie húmeda--------------------------------Aw = As × Vp
ec.(5)
El área superficial húmeda de los otros materiales es mostrado en la figura
1.
Dimensión característica está dada por:
Dimensión característica--------------------------------------------Lc = Vp/aw
ec.(6)

18. Panel cilíndrico
Se muestra un panel cilíndrico con la orientación y
dirección del flujo de aire. La dimensión radial de
espesor se toma con un valor de 0.15m. El aire entra
por todo el interior del cilindro.

20. Cálculos para el panel cilíndrico:
Afi = 2π*R₂*H -------------------------------- Área del panel ec(7)
Vp = π(R²₂ - R²₁) * H ------------- Flujo volumétrico del aire ec(8)
La velocidad del aire incrementa cuando este pasa a través a
causa del área reducida para el flujo en la salida. Por lo tanto
velocidad de salida del aire está dada por:
Vo =(Afi * Vi) / Afo---------------------------------------- velocidad de
salida del aire ec(9)

22. Panel hexagonal
Se muestra un panel hexagonal con la orientación y
dirección del flujo de aire. La dimensión radial de
espesor se toma con un valor de 0.15m. El aire entra
por todo el interior del cilindro y dibujado por el abanico
en la parte superior del enfriador. El área de entrada y
de salida y volumen del panel son calculados con
respecto a la forma geométrica del panel.

24. Velocidad de flujo de volumen de aire a través del
panel está dada por la ecuación 4. La velocidad
aumentará a medida que el aire pasa a través del
panel debido al área reducida para el flujo de
salida. Por lo tanto el aumento de la velocidad en
la salida está dada por la ecuación 9 .

25. Dimensión característica viene dada por la ecuación
6. Esta dimensión y el promedio de la velocidad de
entrada y la salida se utiliza para calcular el número
de Reynolds . Superficie mojada total de material de
celulosa para esta forma calculada utilizando la
ecuación 5 es 42,6 superficie m²

26. Consideraciones de velocidad
El rango de velocidad de aproximación
considerado para el presente análisis es de
0,75 m / s a 2,25 m/s.
Este rango se reporta en la literatura y
recomendado por los fabricantes .
Número de Reynolds se basa en la velocidad
media de aire a través del panel y
dimensión característica.

27. Flujo másico del aire
El flujo másico de aire esta dado por:
Ma = Vf * ρ --------------------------------- ec. (10)

28. Coeficiente de transferencia de calor
La siguiente correlación es utilizada para calcular el coeficiente de
transferencia de calor en un medio de celulosa rígida.
Nu = 0.1(lc/l)ˆ0.12 * Reˆ0.8 * Prˆ0.33 ---------------- ec(11)
Re = (Vav * lc)/v --------------------------------------------ec (12)
Las propiedades del aire se evalúan en condiciones ambientales
seleccionadas.

29. Parámetros de rendimiento
La eficiencia de saturación se calcula en base a la siguiente
relación.
ɳ = 1 – exp (-hAw/ Ma Cpu) ------------- ec (13)
Temperatura de bulbo seco del aire de salida se puede calcular
por:
DBT2 = DBT1-h * (DBT1-WBT1) ------------- ec (14)

30.  A medida que avanza la refrigeración por evaporación a lo largo de la
línea WBT constante, el WBT de aire de salida se toma como 25.59˚C
 La capacidad de enfriamiento está dada por:
 Qc = Ma * Cpa * ( DBT1 - DBT2 )---------------------------------------- ec.( 15 )

31. RESULTADOS Y DISCUSIONES

32. Variación de eficiencia de saturación y
capacidad de enfriamiento
La eficiencia de saturación disminuye con el flujo másico
de aire en todas las formas y materiales analizados.
Conforme la velocidad va en aumento, menos tiempo de
contacto tiene con el panel y por lo tanto menos
evaporación de agua habrá en el sistema. Cuando la
eficiencia de saturación disminuye, la temperatura de
bulbo seco va en aumento.

33. Rendimiento de los materiales
De todos los materiales que estuvieron bajo
observación, el panel hecho de álamo fue el de mayor
eficiencia( 91% - 83%). Esto se debe a que los paneles
de álamo tiene mayor área superficial húmeda por
unidad de volumen.

36. Rendimiento de las formas geométricas
La eficiencia de saturación de las diferentes formas
analizadas:
- Panel hexagonal (91% - 86%)
- Panel cilíndrico (90% - 84%)
- Panel rectangular (89% - 83%)

38. Variación de la capacidad de enfriamiento
La capacidad de enfriamiento varía poco con la forma
del panel, sino que varía en gran medida con respecto
al flujo másico . La capacidad depende mucho de la
dimensión del grosor del panel.

40. Conclusiones

41. Entre mas alta la superficie húmeda mas eficiencia de
saturación habrá en el sistema. El flujo másico aumenta
entre mayor sean las dimensiones del grosor del panel, y
por lo tanto la disminución de la eficiencia de saturación.

42. REFERENCIAS
 [1] Dagtekin M. et al. (2011). The effects of air velocity on the performance of pad evaporative
cooling
 systems, African Journal of Agricultural Research, 6, pp. 1813-1822.
 [2] Fouda, A., Melikyan, Z. (2011). A simplified model for analysis of heat and mass transfer in
a direct
 evaporative cooler. Applied Thermal Engineering, 31, pp. 932- 936
 [3] Kulkarni R.K., Rajput S.P.S.,(2011) : Theoretical Performance Analysis of Indirect-Direct
Evaporative
 Cooler in Hot and Dry Climates, International Journal of Engineering Science and
Technology, 3,
 pp.1239-1251.
 [4] Jain D., (2007): Development and Testing of Two Stage Evaporative Cooler, Building and

43.  [5] Beshkani A., Hosseini R., (2006): Numerical Modeling of Rigid Media Evaporative Cooler,
Applied
 Thermal Engineering, 26, pp. 636-643.
 [6] Camargo J.R.; Ebinuma C.D., Siveria J.L., (2005): Experimental Performance of a direct
evaporative
 cooler operating during summer in Brazilian city. Int. J. of Refrigeration, 28(7), pp.1124-1132.
 [7] El-Dessouky H., Ettouney H., and Al-Zeefari A., (2004): Performance Analysis of Two
Stage
 Evaporative Coolers, Chemical Engineering Journal, 102, pp.255-266.
 [8] Dowdy J.A., Karbash N.S, (1987): Experimental Determination of Heat and Mass Transfer
 Coefficients in Rigid Impregnated Cellulose Evaporative Media, ASHRAE Transactions, 93(2),
pp.
 382-395.
 [9] Dowdy J.A., Reid R.L., Handy E.T., (1986): Experimental determination of heat and mass-transfer
 coefficients in aspen pads, ASHRAE Trans.92 (2A), pp 60-70.

44. Gracias por su atención.