Batería de frío en una UTA: cálculo de potencia

La batería de frío de una unidad de tratamiento de aire (UTA) enfría el aire de impulsión por debajo de su punto de rocío: condensa el exceso de humedad y lo evacua como condensado. La potencia frigorífica total es la suma del calor sensible y del latente: $P = \dot{m} \cdot (h_1 - h_2)$, donde $h_1$ y $h_2$ son las entalpías del aire antes y después de la batería.

Cómo funciona el enfriamiento con deshumectación

El aire entra en la batería a la temperatura $t_1$ con la humedad relativa $\varphi_1$. La batería lo enfría pasando por el punto de rocío ($t_r$) hasta la temperatura de salida $t_2$:

1. Enfriamiento sensible: la temperatura baja sin que cambie la humedad, hasta que el aire alcanza su punto de rocío.
2. Enfriamiento latente (deshumectación): por debajo del punto de rocío el vapor de agua condensa y la humedad específica $W$ disminuye.
3. Estado de salida: el aire sale de la batería casi saturado ($\varphi_2 \approx 95\text{–}100\ \%$) o se recalienta después hasta la temperatura necesaria.

Enfriamiento sin deshumectación

Si la temperatura de salida $t_2$ se queda por encima de la temperatura de rocío, no hay condensación: el aire solo se enfría.

1. Enfriamiento sensible: la temperatura baja sin que cambie la humedad.
2. Estado de salida: el aire sale con una humedad relativa mayor que a la entrada.

En el interior peninsular este caso es más frecuente de lo que parece: el aire exterior de un día caluroso y seco puede llevar menos agua que el del propio local, y entonces la batería trabaja solo en sensible. El artículo sobre el diseño de la climatización en el diagrama lo muestra con los datos de Madrid.

Cálculo de la potencia frigorífica

Potencia total

$$P = \dot{m} \cdot (h_1 - h_2) \quad \text{[kW]}$$

donde $\dot{m}$ es el caudal másico de aire [kg/s].

Componente sensible

$$P_s = \dot{m} \cdot c_{pa} \cdot (t_1 - t_2) \approx \dot{m} \cdot 1{,}006 \cdot (t_1 - t_2) \quad \text{[kW]}$$

Componente latente (deshumectación)

$$P_{lat} = \dot{m} \cdot r_0 \cdot (W_1 - W_2) \approx \dot{m} \cdot 2501 \cdot (W_1 - W_2) \quad \text{[kW]}$$

donde $r_0 = 2501\ \text{kJ/kg}$ es el calor latente del agua a 0 °C.

Caudal de condensado

$$\dot{m}_{cond} = \dot{m} \cdot (W_1 - W_2)\ \text{[kg/s]} = \dot{m} \cdot (W_1 - W_2) \cdot 3600\ \text{[l/h]}$$

Ejemplo resuelto

Datos: una UTA con un caudal de 3000 m³/h; entrada a la batería: $t_1$ = 32 °C, $\varphi_1$ = 55 %; salida: $t_2$ = 14 °C, $\varphi_2$ = 95 %.

Valores psicrométricos:

• Densidad del aire: $\rho \approx 1{,}145\ \text{kg/m}^3$ → $\dot{m} = \frac{3000}{3600} \cdot 1{,}145 = \mathbf{0{,}955}\ \textbf{kg/s}$
• $h_1$ (32 °C, 55 %): $\approx \mathbf{74{,}6}\ \textbf{kJ/kg}$
• $h_2$ (14 °C, 95 %): $\approx \mathbf{38{,}1}\ \textbf{kJ/kg}$
• $W_1 \approx 16{,}6\ \text{g/kg}$, $W_2 \approx 9{,}5\ \text{g/kg}$

Resultados:

• Potencia total: $P = 0{,}955 \cdot (74{,}6 - 38{,}1) = \mathbf{34{,}9}\ \textbf{kW}$
• Potencia sensible: $P_s = 0{,}955 \cdot 1{,}006 \cdot (32 - 14) = \mathbf{17{,}3}\ \textbf{kW}$
• Potencia latente: $P_{lat} = 0{,}955 \cdot 2501 \cdot \dfrac{16{,}6 - 9{,}5}{1000} = \mathbf{17{,}0}\ \textbf{kW}$
• Condensado: $0{,}955 \cdot \dfrac{7{,}1}{1000} \cdot 3600 = \mathbf{24{,}4}\ \textbf{l/h}$

Un aire de entrada así, a 32 °C y 55 %, es propio de la costa mediterránea en pleno verano; en Madrid o en Sevilla la humedad a esa temperatura suele ser bastante menor.

Factor de calor sensible (FCS)

El FCS indica qué parte de la potencia frigorífica total es enfriamiento sensible:

$$\text{FCS} = \frac{P_s}{P} = \frac{17{,}3}{34{,}9} = \mathbf{0{,}50}$$

Valores típicos:

• Oficinas: FCS = 0,75–0,85 (poca producción interna de calor latente)
• Restaurantes, piscinas: FCS = 0,45–0,65
• Clima tropical: FCS = 0,50–0,65

La temperatura a la salida de la batería (factor de bypass)

Una batería real nunca enfría todo el aire exactamente hasta la temperatura superficial del intercambiador. El factor de bypass (FB) es la fracción de aire que atraviesa la batería sin contacto con ella:

$$t_2 = t_{ADP} + \text{FB} \cdot (t_1 - t_{ADP})$$

donde $t_{ADP}$ es la temperatura de rocío del equipo (ADP), en la práctica la temperatura superficial del intercambiador.

En una batería de aletas, el FB suele estar entre 0,05 y 0,15. En el diagrama, el estado del aire de salida está sobre la recta que une el estado de entrada con el ADP sobre la curva de saturación, y su distancia a la curva corresponde al FB.

El enfriamiento en el diagrama psicrométrico

En el diagrama de Carrier:

1. Marque el estado del aire de entrada (punto 1).
2. Trace una recta hacia abajo y a la izquierda, hasta la curva de saturación: el punto 2’ es la salida ideal (FB = 0), el ADP.
3. La salida real (punto 2) está sobre el segmento 1–2’, separada de la curva de saturación en proporción al FB.

La construcción también se puede hacer a mano: la hoja en blanco para imprimir dibuja la curva de saturación con 0,5 mm de grosor, así que es fácil apuntar con la regla. PsychroView hace este cálculo automáticamente en cuanto se introducen el estado de entrada y la temperatura o la entalpía de salida.

Preguntas frecuentes

¿Cómo se determina la potencia frigorífica necesaria? La fijan las ganancias de calor del local (radiación solar, personas, iluminación, equipos) más el calor que aporta la ventilación. Para una oficina normal se cuenta con 60–100 W/m² de potencia frigorífica total como orden de magnitud; el proyecto exige después un cálculo de cargas propio.

¿Por qué sale aire saturado de la batería? La batería enfría el aire por debajo de su punto de rocío: la humedad condensa y el aire se acerca a la saturación. Tras la batería el aire suele estar a φ = 90–100 % y relativamente frío (12–16 °C), por eso detrás se coloca a menudo una batería de recalentamiento.

¿Qué es una batería de agua enfriada y una de expansión directa? En la batería de agua enfriada circula por los tubos agua fría (típicamente a 7/12 °C) procedente de una planta enfriadora. En la de expansión directa (DX), el refrigerante se evapora directamente en la batería, alimentado por una unidad con compresor.