Por qué hicimos este ensayo
El agua es el fluido de trabajo preferido para la refrigeración a gran escala porque su calor específico es alto: una masa dada retira más calor que casi cualquier otra cosa que se pueda bombear. En el sur de Nevada, donde se hizo este trabajo, esa virtud choca con una restricción. El lago Mead ha bajado unos cincuenta metros, el gobierno federal ha emitido una declaración de escasez de nivel dos, y las torres de enfriamiento evaporativo de los edificios comerciales son una de las mayores extracciones discrecionales sobre el suministro que queda.
La palanca evidente es lograr que cada litro transporte más calor. Si lo hace, la torre puede sostener la misma carga con un caudal de circulación menor y evaporar menos. Así que planteamos una pregunta estrecha y comprobable:
¿El agua que lleva gas disuelto retira más calor que la misma agua sin él?
Este artículo es el trabajo de banco que la responde, publicado tal como se redactó en mayo de 2023 — equipo, método, balance de energía, las curvas en bruto y las partes que no salieron como esperábamos.
Esto es validación de banco, no un resultado de campo. Un solo aparato, un ensayo por fluido, tres fluidos, dos configuraciones — sin réplicas, así que nada de lo que sigue lleva barra de error y no se ofrece ningún estadístico. La cámara contiene unos seis litros; una torre de enfriamiento contiene miles. Mide el calor que retira un serpentín de cobre dentro de un tubo de vidrio, que es un sustituto de lo que hace una torre, no una medición de una torre.
Dos cosas que esto específicamente no establece. No mide cuánto tiempo retiene el agua tratada su gas disuelto, de modo que toda cifra de eficiencia de abajo es una cifra de agua recién tratada y la economía del retratamiento queda sin abordar. Y no explica el resultado que encontró — el mecanismo se infiere, no se mide.
El equipo de tratamiento
El agua se trató con un CTR-PACK — la versión para reacondicionamiento de torres de enfriamiento de nuestro módulo recirculante de inyección de gas. Consume 2,8 kW en continuo, mueve 40 GPM y lleva un concentrador de oxígeno, un generador de ozono y un puerto auxiliar para inyectar gas externo, que es lo que nos permitió correr el mismo experimento con oxígeno y con aire atmosférico simple sin cambiar nada más.
Ese último punto importa para leer las cifras de coste del final. El consumo de 2,8 kW es el de una máquina construida para muchos trabajos. Una unidad construida solo para este consumiría menos, y por tanto la comparación energética de abajo es pesimista respecto al tratamiento, no generosa con él.
El banco de ensayo
La cámara de ensayo es un tubo rectangular de vidrio sujeto entre dos placas de aluminio. Dos calentadores de cartucho alojados en tubos de cobre sellados con lámina de cobre hacen hervir el fluido de la cámara; un serpentín de cobre situado encima condensa el vapor. El serpentín se alimenta desde un enfriador recirculante, y el fluido de ese serpentín es lo que está bajo ensayo.
Método
Unos seis litros de agua bruta, tratada o sin tratar, entraban en el enfriador como fluido de trabajo y permanecían allí durante todo el ensayo a una temperatura previa de operación de 25 °C. La adquisición corría bajo LabVIEW.
- Llevar primero el enfriador a 25 °C estables, para que nada de lo registrado sea la deriva del propio enfriador.
- Subir despacio las fuentes de continua que alimentan los calentadores de cartucho. La rampa tiene que ser gradual o el ensayo termina en ebullición subenfriada y un calentador quemado.
- Cuando el agua bruta se acerca a la saturación, empezar a registrar la temperatura de entrada y salida del condensador, una muestra cada tres segundos.
- Seguir registrando durante la vaporización hasta que la temperatura de salida se estabiliza, y entonces cortar la potencia. Eso es un ciclo, repetido de forma idéntica para cada fluido.
Una segunda configuración invierte la pregunta. En lugar de usar el agua tratada como refrigerante del serpentín, la calentamos directamente con los calentadores de cartucho y observamos cómo respondía su temperatura a una entrada de potencia escalonada — más 30 W cada tres minutos — para ver si el efecto era una propiedad del agua o un artefacto de la geometría del condensador.
El balance de energía
Solo hay un cuerpo que analizar: el serpentín condensador. Un balance de energía sobre él dice
ΔE = Eent − Esal + qgen = 0
El serpentín no genera nada, así que qgen desaparece. La energía que entra es calor, Q. La energía que sale la retira el fluido circulante como un aumento de temperatura a través del serpentín, que es ṁ·cp·ΔT — caudal másico, calor específico y la diferencia entre entrada y salida. Por tanto
Q = ṁ · cp · ΔT
Toda afirmación que sigue es esa única magnitud, calculada a partir de dos termopares y un caudal. Un Q mayor significa que más calor salió del vapor y entró en el refrigerante.
Resultado 1 — la configuración de condensador
El ensayo con oxígeno disuelto retira más calor que el control durante prácticamente todo el recorrido, y alcanza un máximo unos 94 W por encima. Expresado frente al pico del propio control, eso es una ganancia de aproximadamente el 23% — el informe la redondea a aproximadamente el 20%, y con un único ensayo sin réplicas por fluido, la cifra más redonda es la más honesta de citar.
El ensayo con aire disuelto es el interesante, porque no hizo nada. Sigue al control con una diferencia de en torno al uno por ciento a lo largo de toda la curva — bastante por debajo de lo que un solo ensayo puede resolver. En esta configuración, el aire es indistinguible de no tratar.
Resultado 2 — la configuración de calentamiento
Al invertir el experimento cambia el cuadro. Con el agua tratada calentada directamente en vez de usada como refrigerante, ambos fluidos tratados se separan del control sin tratar en torno al 15% — y el aire disuelto, que no había hecho nada en el condensador, ahora rinde igual de bien que el oxígeno disuelto. Las dos curvas tratadas terminan con menos de un punto porcentual de diferencia entre sí.
Tomadas juntas, las dos configuraciones dicen algo más estrecho que «el agua tratada transfiere mejor el calor». Dicen que el gas disuelto en el agua cambió el comportamiento térmico de esa agua en ambos sentidos — absorbiendo y cediendo — y que cuál era el gas importó en una configuración y no en la otra. No tenemos explicación para esa asimetría. Es la pregunta abierta más clara que produjo el trabajo, y es una pregunta sobre el aparato tanto como sobre el agua: una diferencia que aparece cuando el fluido está dentro de un serpentín y desaparece cuando está en la cámara puede estar hablándonos de capas límite y de geometría del serpentín más que del fluido.
Lo que cuesta el tratamiento
Una ganancia de eficiencia que cuesta más energía de la que ahorra no es una ganancia. El informe pone precio al tratamiento con una tercera ecuación — el consumo del módulo durante el intervalo de tratamiento, escalado por la fracción de su caudal que el experimento realmente consumió:
Qtrat = (E ⁄ t) · (ṁexp ⁄ ṁtrat)
Ese escalado importa: el módulo produce mucha más agua tratada por segundo de la que el banco extrae, así que cobrarle al experimento toda la producción de la máquina sería poner el precio de una unidad industrial de 40 GPM a una cámara de seis litros.
Frente a unos 94 W de retirada adicional de calor, sostenidos durante todo el tiempo que el agua retenga su gas, un coste puntual de unos pocos centenares de vatios es un intercambio favorable — si el agua retiene su gas. Ese condicional está haciendo trabajo real, y este experimento no lo puso a prueba. Todo lo medido aquí se midió sobre agua recién tratada.
Qué haríamos a continuación
Las recomendaciones que escribimos en 2023 siguen en pie, y tratan sobre todo de las lagunas anteriores más que de escalar lo que funcionó:
- Entender la asimetría del aire. Por qué el aire atmosférico rinde como el oxígeno en una configuración y como nada en la otra está sin resolver, y hasta que se resuelva el mecanismo es una hipótesis.
- Medir la retención de gas en el tiempo. Sin una curva de decaimiento no puede calcularse honestamente ningún periodo de amortización para una aplicación en la que el agua no se trate inmediatamente antes de usarse.
- Replicar. Un ensayo por fluido basta para justificar más trabajo y no basta para declarar un tamaño de efecto. Todo porcentaje de esta página necesita repeticiones antes de convertirse en una especificación.
- Ampliar el conjunto de gases. Otros gases atmosféricos, disueltos con menor coste energético, son el sitio más barato donde buscar una mejor relación entre ganancia y energía de tratamiento.
- Pasar a una torre real. Una torre de enfriamiento de HVAC reacondicionada es donde se responde de verdad la pregunta del ahorro de agua, y un tubo de vidrio sobre un banco no puede responderla.
La inhibición de incrustaciones es la otra mitad del caso de las torres de enfriamiento y aquí no se mide en absoluto; el lado de la incrustación mineral en la gestión térmica se trata en nuestra página de aplicaciones avanzadas e industriales. Sobre cómo la elección de gas cambia lo que hace el tratamiento en un proceso dado, véase la sección influencia del tipo de gas del aula — la asimetría de arriba es un ejemplo vivo de por qué esa elección no es cosmética. Si opera una torre y quiere que esto se ensaye sobre su carga y no sobre la nuestra, para eso está un piloto.
Referencias
- Chan, C. W., Siqueiros, E., Ling-Chin, J., Royapoor, M., y Roskilly, A. P. (2015). Heat utilisation technologies: A critical review of heat pipes. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 50, 615–627. doi:10.1016/j.rser.2015.05.028
- Zhang, Y., Duan, H., Chen, E., Li, M., y Liu, S. (2023). Physicochemical Characteristics and the Scale Inhibition Effect of Air Nanobubbles (A-NBs) in a Circulating Cooling Water System. Langmuir, 39(4), 1629–1639. doi:10.1021/acs.langmuir.2c03075