Ciclo de Cromer

El ciclo de Cromer es un ciclo termodinámico que utiliza un desecante para interactuar con el aire con una humedad relativa más alta que sale de una superficie fría. Cuando un sistema pasa por una serie de estados diferentes y finalmente regresa a su estado inicial, se dice que ha ocurrido un ciclo termodinámico. El desecante absorbe la humedad del aire que sale de la superficie fría, liberando calor y secando el aire, que puede usarse en un proceso que requiere aire seco. Luego, el desecante se seca mediante una corriente de aire a una humedad relativa más baja, donde el desecante cede su humedad por evaporación , lo que aumenta la humedad relativa del aire y lo enfría. Este aire más frío y húmedo puede presentarse a la misma superficie fría que antes para llevarlo por debajo de su punto de rocío y secarlo aún más, o puede expulsarse del sistema.

El desecante sufre un proceso reversible en el que, en la primera parte del ciclo, absorbe o adsorbe la humedad del aire que sale de una superficie fría, liberando calor, y luego, en la segunda parte del ciclo, evapora la humedad, absorbiendo calor y devolviendo el desecante a su estado original para completar el ciclo nuevamente. El resultado del ciclo de Cromer es que el aire de proceso que sale del ciclo se deshumidifica más (mayor índice de latencia) de lo que se deshumidificaría al salir de la superficie fría sin el ciclo. El concepto del ciclo de Cromer se patentó originalmente a mediados de la década de 1980. Esas patentes han expirado y, por lo tanto, el ciclo es gratuito para que cualquiera lo use. El ciclo se publicó por primera vez en 1997 en Popular Mechanics en su sección de actualizaciones tecnológicas. ^[1]

El ciclo de Cromer se utiliza principalmente en aplicaciones de aire acondicionado y secado. La parte de superficie fría del ciclo suele ser el resultado de un ciclo de Carnot o de refrigeración invertido . Para que funcione el ciclo de Cromer, un desecante debe exponerse a dos corrientes de aire, una con mayor humedad de una superficie fría y otra con menor humedad para secarlo. Esto se logra más fácilmente moviendo el desecante. Se puede utilizar cualquier mecanismo de ciclado, como bombear un desecante líquido; sin embargo, una aplicación mecánica sencilla es una rueda giratoria, cargada con desecante, a través de la cual pasan las diferentes corrientes de aire. Esto se muestra en la Figura 1, donde se ha aplicado una rueda desecante a una configuración de aire acondicionado estándar.

El proceso psicrométrico del aire que pasa a través del sistema con cuatro puntos de estado se muestra en el diagrama psicrométrico de la Figura 2 como 1, 2, 3 y 4. Los puntos de estado del aire también se representan en la Figura 1. En esta aplicación, el aire que regresa del espacio, típicamente alrededor del 50% de humedad relativa (RH), se presenta a la rueda desecante y seca el desecante. El aire recoge humedad y se enfría en el proceso 1 a 2. El aire húmedo ahora se presenta a la superficie de enfriamiento (serpentín de enfriamiento del acondicionador de aire), que lo enfría por debajo de su punto de rocío y seca el aire en el proceso 2 a 3. Esto representa el trabajo realizado por el serpentín frío. Mientras tanto, el desecante seco desde abajo se hace girar hacia la corriente de aire superior. El aire saturado que sale del serpentín, normalmente con una humedad relativa del 93-98 %, se presenta al desecante en el paso 3, donde se seca aún más en los procesos 3 a 4, donde se presenta al espacio como aire de suministro. El desecante, ahora cargado de humedad, gira hacia el aire de retorno, donde se repite el ciclo.

El enfriamiento y secado típicos por el serpentín frío sin el ciclo de Cromer se representan en el diagrama psicrométrico y también se muestran en la Figura 2. El punto de estado 1 es el aire que regresa del espacio al sistema (aire de retorno). Para un sistema de aire acondicionado típico, este aire en el punto de estado 1 ingresa al serpentín de enfriamiento y sale aproximadamente en el punto de estado 4' después de enfriarse y secarse. El punto de estado 4' representa la temperatura y el contenido de humedad del aire que sale de la unidad típica, aproximadamente 45–50 °F (7–10 °C) y 95–98% HR.

El diagrama psicrométrico muestra los cambios del ciclo con respecto al ciclo de aire acondicionado estándar. En primer lugar, el punto de estado final 4 para el aire de la rueda representa un aumento de la relación latente (eliminación de humedad) de aproximadamente el 45%, en comparación con el 25% del serpentín típico que se muestra. En segundo lugar, la calidad del aire que entrega el ciclo es mucho más seca, aproximadamente el 55% de humedad relativa (punto de estado 4), en lugar del 98% con el serpentín estándar (punto de estado 4'). En tercer lugar, esto se logra con una temperatura promedio más alta del evaporador. Compare el punto medio de la temperatura del evaporador, línea 1 a 4', con el punto medio de la temperatura del evaporador del ciclo de Cromer, línea 2 a 3. Estas líneas representan el trabajo realizado por el serpentín en la corriente de aire (su cambio en entalpía ). Esto es significativo porque, dada una temperatura constante del condensador y un cambio equivalente en la entalpía, cuanto mayor sea la temperatura del serpentín del evaporador, más eficiente es el ciclo de refrigeración de Carnot y mayor la eficiencia energética que puede ofrecer un sistema en particular.

Las estrategias de deshumidificación más comunes incluyen: recalentamiento (derivación eléctrica o de gas caliente), donde se agrega calor sensible al aire que sale del equipo; calor recuperativo (serpentines de circulación o tubos de calor), donde el calor sensible se transfiere del aire de retorno al aire de suministro; o el ciclo Cromer, donde el calor latente de la sorción y evaporación de la humedad se transfiere del aire de retorno al aire de suministro. Estas diversas estrategias se compararon en un artículo de la revista ASHRAE que concluyó que "el ciclo Cromer produce un rendimiento de deshumidificación mejorado similar al que se obtiene con las configuraciones recuperativas". ^[2]

Para operar en este ciclo, el desecante debe absorber la humedad del aire que sale del serpentín, que es más frío y tiene una humedad relativa del 98 % aproximadamente, y desorber la humedad al aire que es más cálido y tiene una humedad relativa más baja. El desecante se regenera por la diferencia de presión de vapor inherente a las diferencias de humedad relativa en lugar de por la diferencia de calor o temperatura. Los desecantes que tienen una isoterma de sorción de humedad del tipo que se muestra en la Figura 3 (Tipo III) son comunes, como muchas formulaciones de gel de sílice . Los desecantes de tipo III absorben poca humedad por debajo del 70 % de humedad relativa, pero muchos absorberán más que su propio peso en agua del aire cuando se les presente una humedad relativa superior al 90 %. La isoterma de absorción es muy pronunciada entre el 90 y el 100 % de humedad relativa. Los desecantes de tipo III tienen un gran potencial para el ciclo de la humedad del aire que sale del serpentín, con una humedad relativa del 98 % aproximadamente, hacia la corriente de aire de retorno, normalmente con una humedad relativa del 50 % aproximadamente.

En 2011, Khalifa, Al-Omran y Mohammed informaron sobre un estudio monitoreado de una unidad de aire acondicionado con capacidad de 2 toneladas mientras cambiaban una rueda de gel de sílice por una rueda hecha de carbón activado para determinar si reduciría la humedad relativa en una habitación pequeña en Bagdad en comparación con la unidad sin el ciclo Cromer agregado. Encontraron que "el ciclo Cromer puede reducir la humedad relativa en interiores del 80% a aproximadamente el 60% utilizando carbón activado con un espesor de rueda de 5 cm". ^[3]

Para mantener la calidad del aire interior, puede ser conveniente expulsar el aire de retorno del espacio acondicionado y reemplazarlo con aire fresco del exterior, a veces llamado "aire de reposición". La ubicación óptima para expulsar el aire de retorno de un sistema de ciclo Cromer es justo después del desecante (ubicación 2 en la Figura 1). En este punto, el aire de retorno se ha cargado con humedad del desecante y al expulsarlo se elimina la humedad adicional del espacio. Además, este aire expulsado se enfría por debajo del aire acondicionado de retorno mediante la evaporación de la humedad del desecante en él. La ubicación 2 (pero antes del ventilador) también es el lugar ideal para llevar aire exterior al sistema, ya que el serpentín puede reducir su temperatura y humedad antes de que ingrese al espacio. Además, si se proporciona intercambio de calor entre el aire expulsada y el aire exterior, el aire entrante se puede enfriar y acercar o saturar antes de que ingrese al serpentín de enfriamiento para el proceso 2 a 3, lo que mejora su deshumidificación. ^{[4] [5]}

Cuando el proceso que se necesita es una mayor deshumidificación o secado, el ciclo de Cromer se puede mejorar utilizando el calor libre disponible del lado de condensación del ciclo de refrigeración de Carnot inverso. Este calor, a veces llamado "derivación de gas caliente", se puede agregar antes de la rueda desecante para mejorar el secado de la rueda en la ubicación 1 de la Figura 1 (pero después del filtro), lo que se denomina precalentamiento. El calor de derivación de gas caliente también se puede agregar al proceso en la ubicación 4, lo que se denomina recalentamiento, que proporciona aire de suministro más cálido pero con una humedad relativa aún menor. Se puede utilizar una o ambas ubicaciones de derivación de gas caliente. Cuando un sistema de aire acondicionado de ciclo Cromer se mejora con una derivación de gas caliente, normalmente se lo denomina aire acondicionado de ciclo Cromer "activo". Cuando el ciclo se utiliza como equipo diseñado para la deshumidificación o el secado, normalmente se lo denomina deshumidificador de ciclo Cromer o secador de ciclo Cromer.

La revista R&D reconoció el ciclo Cromer en 2006 con el premio R&D 100 en la categoría mecánica/materiales, reconociendo las 100 innovaciones tecnológicas más significativas del año. ^[6]