Fundamentos sobre Enfriamiento Evaporativo

El objetivo de esta entrada es dar a conocer mejor el mecanismo físico-ingenieril que hay detrás de los pulverizadores de agua empleados en terrazas y restaurantes durante el verano, que tienen la misión de mejorar la sensación térmica de los clientes. En contra de lo que pueda parecer, la idea original nunca es mojar.

Empezando por lo básico, vamos a considerar un cubo de agua, y vamos a distinguir entre la fase agua, la fase aire, y la superficie de interfase agua-aire, que es donde ambas están en contacto. En el agua las moléculas están en continuo movimiento y algunas de las que llegan a la superficie de interfase se escapan y pasan al aire; dicho de otro modo, de forma natural se produce una evaporación del agua. Pero como es bien sabido, para que una masa de agua pase a estado vapor necesita recibir una cierta cantidad de energía. ¿De dónde saca el agua la energía para cambiar de fase? Lo cierto es que sólo puede tomar la energía del aire con el que está en contacto. Por tanto, el agua absorberá energía del aire y pasará a estado vapor, y como al aire le están arrebatando energía, éste disminuirá su temperatura. En resumen, podemos decir que en las inmediaciones de la interfase agua-aire de nuestro cubo de agua, la temperatura del aire desciende ligeramente por efecto de la evaporación del agua.

Visto lo básico, nos podríamos preguntar lo siguiente: ¿Cómo de rápido se evaporaría el agua de mi cubo? ¿De qué depende la velocidad de evaporación natural? Podríamos considerar diversas variables, pero nos vamos a quedar con una sola: el área de interfase. Imaginemos un cubo donde cabe un litro de agua y una bandeja muy extensa donde cabe la misma cantidad de líquido. ¿En qué caso creéis que se evaporaría antes el litro de agua? A igualdad de otras condiciones, el líquido se evaporaría antes en la bandeja, sencillamente porque el área de interfase es mucho mayor y por tanto las moléculas de agua cuentan con una ‘región’ más extensa a través de la cual pueden escapar.

Ahora vamos a cuantificar un poco el efecto que presenta el área de interfase sobre el mecanismo de evaporación. Para ello, vamos a empezar suponiendo que tenemos el litro de agua conformando una única gota perfectamente esférica que, de alguna forma, mantenemos suspendida en el aire. ¿Cuál es el área de interfase en este caso? Os ahorro los cálculos: un litro equivaldría a una gota de 6,2 cm de radio y un área de 0,05 m2. Al igual que en el caso del cubo de agua, podemos intuir que este líquido tardaría muchos días en evaporarse.

A continuación dividimos el litro de agua en 9 gotas, también esféricas. Las gotas ahora tienen un radio de 3 cm, y el área de todas resulta ser de 0,1 m2 (el doble que antes). El agua se evaporará más rápido de esta forma porque se cuenta con más área de interfase, aunque esto todavía resulta difícil de visualizar.

Demos un salto cuantitativo mucho más apreciable: 1 millón de gotas, que tendrían un radio de poco más de medio milímetro, y una área total de casi 5 m2 (100 veces más que en el caso de la gota única).

¿A dónde podríamos llegar siguiendo esta progresión? Los pulverizadores que se emplean en algunas terrazas y restaurantes -que no difieren mucho del spray limpiacristales que tenemos en casa- producen una gota con un tamaño del orden de la micra (1 micra equivale a 0,001 mm). De este modo, si pulverizamos el litro de agua en gotas de 10 micras, tendríamos un área de interfase de 300 m2 (6.000 veces más que con la gota individual). Y en este caso si podemos visualizar fácilmente lo rápido que se evapora el agua, porque cuando usamos un pulverizador como el del limpiacristales comprobamos que el líquido desaparece a la vista bastante antes de llegar al suelo.

Número de gotas	Volumen de una gota (L)	Radio de una gota (m)	Superficie de una gota (m2)	Superficie TOTAL
1	1	0,0620	0,050	0,050
9	0,11	0,0300	0,011	0,100
1.000.000	0,000001	0,0006	5·10-6	5
2,35·1011	4,3·10-12	10-5	1,3·10-9	300

Concluimos por tanto que, tras multiplicar el área de interfase por 6.000 mediante la reducción del tamaño de gota, conseguimos multiplicar la velocidad de evaporación del agua. Y esto es crucial en hostelería porque lo que se persigue es que el agua se evapore antes de entrar en contacto con la gente, para así refrescar el ambiente sin llegar a mojar a nadie. Porque nadie duda que mojar refresque, pero normalmente no es ésta la idea que tienen en mente las personas que van a un restaurante.

'Demanda energética' vs. 'Consumo energético' en un edificio

A grandes rasgos, la ‘demanda energética’ de un edificio es la energía que éste requiere para que en su interior un usuario pueda disfrutar de unas determinadas condiciones de confort.

Vamos a suponer que analizamos el caso de nuestra vivienda, que estamos en Madrid y que es verano. Consideramos, por simplificar, una única condición de confort deseable: 24 ºC como temperatura máxima.

La pregunta que nos hacemos a continuación es la siguiente: ¿qué factores suponen un obstáculo para que podamos disfrutar de esta condición de confort en nuestra vivienda?

Podemos hablar de cinco factores:

Temperatura exterior.- Todos intuimos que el hecho de que haya en la calle una temperatura de 40 ºC supone un inconveniente para que nosotros disfrutemos de 24 ºC en el interior de nuestra vivienda. ¿Por qué exactamente? Porque cuando tenemos dos focos a diferente temperatura, se establece de forma natural una transferencia de calor desde el foco caliente (la calle) hasta el foco frío (nuestro salón). Por tanto, el mero hecho de que en la calle haga más calor inevitablemente va a suponer la entrada de calor en nuestra vivienda, hasta el punto –si no hiciéramos nada– de alcanzarse en nuestro salón la misma temperatura que hay en la calle.

Radiación solar.- En el caso anterior, el calor se transmite desde el aire exterior al muro, a través del muro, y desde el muro al aire interior. Pero el muro no sólo se calienta porque está en contacto con aire caliente, sino también porque recibe radiación directa del Sol. Por tanto, la radiación solar también fomenta la diferencia de temperaturas entre el foco caliente y el foco frío, promoviendo la transferencia de calor hacia el interior de nuestra vivienda.

Infiltraciones.- Es fácil entender que por la rendija de la puerta se cuela aire. En realidad, las líneas en las que un muro da paso a una ventana o a una puerta son lugares por los que se filtra aire del exterior (en este caso caliente). Dicho de otro modo, una ventana (o una puerta) no es más que un agujero en la pared donde se acopla un marco y un vidrio, pero este acoplamiento nunca se ejecuta en condiciones perfectamente herméticas. Por tanto, por cada ventana y puerta está entrando un pequeño volumen de aire que se encuentra a la temperatura exterior (40 ºC).

Ventilación.- Este caso es análogo al anterior pero con un matiz: las infiltraciones constituyen una entrada involuntaria de aire exterior, mientras que el aire de ventilación es una entrada de aire exterior necesaria. ¿Por qué necesaria? Porque cuando climatizamos el aire de nuestra vivienda no podemos utilizar siempre el mismo aire. ¿Por qué no? Porque el aire se va saturando de CO2 (y eventualmente de olores) y hay que renovarlo, lo que supone expulsar una cierta cantidad a la calle y tomar de la calle la misma cantidad pero de aire ya fresco. Y meter aire a 40 ºC está genial para evitar un ambiente viciado pero es un problema en lo relativo al acondicionamiento térmico.

Cargas internas.- Apuesto a que no te gusta estar en la cocina en verano cuando alguien está cocinando al horno. Eso es fundamentalmente porque el horno emite una cantidad de calor muy apreciable. En realidad todos los electrodomésticos, equipos y dispositivos que funcionan con electricidad emiten una cierta cantidad de calor cuando funcionan, y por tanto tenderán –aunque sea en poca medida– a elevar la temperatura del interior de la vivienda.

Así, pues, estos cinco factores conllevan la entrada de ciertas cantidades de calor en nuestra vivienda que, de no ser combatidas con el aire acondicionado, nos harían alcanzar en nuestra vivienda una temperatura similar (o incluso superior) a la del exterior. Por tanto, el calor entrante debe ser neutralizado con frío, o mejor dicho, con aire a una temperatura suficientemente baja como para que de la mezcla se obtenga un ambiente a 24 ºC. La energía que se requiere para producir este frío es justamente la demanda energética de nuestro edificio.

El ‘consumo energético’, por su parte, es el gasto energético que realmente tiene el edificio. ¿Y cómo es en relación a la demanda? Pues depende. Sobre todo porque mientras que la demanda depende fundamentalmente del clima y de las características del edificio, el consumo depende además del usuario y de sus pautas de comportamiento. Una persona que en verano quiera tener su vivienda a 20 ºC y que además ponga el aire acondicionado desde primera hora de la mañana consumirá bastante más energía de la que demanda el edificio, mientras que alguien que usa el aire acondicionado con moderación, fijando consignas de 25 ó 26 ºC y abriendo las ventanas por la mañana y por la noche, probablemente tendrá un consumo inferior a la demanda.

Hacia la Tercera Revolución Industrial

Los cambios más trascendentes que se han producido en la Historia de la humanidad han tenido lugar cuando se ha dado la confluencia entre un nuevo sistema energético y un nuevo sistema de comunicación.

Uno de los primeros casos claros es el de las sociedades que empezaron a utilizar la agricultura de riego (Mesopotamia, Egipto, China e India), en las que se inventó la escritura para poder gestionar la producción, almacenamiento y distribución de cereal. El excedente de grano permitía el crecimiento y expansión de las poblaciones, y asimismo la alimentación de más trabajadores que a su vez producían más alimento, estimulando el funcionamiento de una economía sustentada en la tierra. En este caso, la confluencia entre la comunicación escrita y el almacenamiento de energía en forma de materia orgánica vegetal dio lugar a la Revolución Agrícola, constituyendo además el principio de la civilización.

En el siglo XVIII se extiende ampliamente el uso del carbón como fuente de energía, hecho que se ve propiciado por el descubrimiento de mayores yacimientos y sobre todo por la invención de la máquina de vapor, que permitía transformar la energía calorífica procedente del combustible fósil en energía mecánica, particularmente en barcos y locomotoras, lo que a su vez serviría para transportar mercancías y pasarejos con mayor rapidez y a mayores distancias. Converge este avance con la invención de la imprenta, que resultaría vital para gestionar una economía en trepidante crecimiento, y para la que los antiguos métodos de comunicación escrita no habrían resultado funcionales. Es la Primera Revolución Industrial.

A finales del siglo XIX y principios del XX se consolida el uso del petróleo y se introduce el motor de combustión interna, al tiempo que surgen los primeros sistemas eléctricos de comunicación (telégrafo, teléfono, radio, televisión), avances tecnológicos que conformarían la Segunda Revolución Industrial, encauzando la económia hacia un nuevo proceso de expansión.

Hoy día, los diseños y tecnologías que sirvieron para materializar Internet empiezan a usarse para reconfigurar las redes eléctricas, con la idea de que cualquier persona pueda producir energía renovable y compartirla con otros usuarios, de la misma forma que en Internet se generan y comparten los contenidos. Hablamos por tanto de un nuevo uso descentralizado de la energía, donde millones de personas generan localmente energía renovable en sus casas, vehículos, oficinas e industrias, la almacenan en forma de hidrógeno, la transforman en electricidad en los momentos precisos y la comparten con el resto de usuarios a través de una red inteligente e interconectada que puede englobar países enteros.

La teoría de Hubbert

M. King Hubbert desarrolló un modelo matemático para predecir el ritmo con el que se extrae petróleo de un yacimiento cualquiera a lo largo del tiempo. Su teoría establece que la cantidad de petróleo extraído crece inicialmente, alcanza un máximo y decrece a continuación. Así, cuando se descubre una reserva petrolífera, al principio su producción es muy baja por las amplias necesidades de infraestructura, que van siendo safisfechas a lo largo de los años al mismo tiempo que va aumentando la profundidad de los pozos realizados. Cuando se ha instalado todo el equipamiento y las plantas de extracción necesarias y se ha perforado hasta la profundidad óptima, se alcanza un nivel de extracción máximo. Tras este pico, la producción disminuye, y lo hace cada vez más rápidamente. Esta evolución responde a una función con forma de campana, conocida como curva de Hubbert.

En la etapa decreciente el petróleo extraído se encarece progresivamente hasta alcanzarse un punto crítico en el que extraer un barril de petróleo nos cuesta la misma energía que contiene dicho barril, momento en el que la extracción de crudo con fines energéticos deja de ser rentable.

De la misma forma en que se modela la extracción de petróleo de un yacimiento puede ser representada la producción de una región o incluso de un país entero. De hecho, Hubbert predijo que la producción de los Estados Unidos alcanzaría su pico a finales de los años 60, y lo cierto es que este país registró su máximo en 1971. A partir de esta fecha la producción comenzó a experimentar un descenso alcanzando en la actualidad los mismos niveles de extracción que se tenían en la década de los 40. De acuerdo con la misma predicción, las reservas de Estados Unidos podrían dejar de ser aprovechables a finales del XXI.

Crisis energética

Entendemos que existe una crisis energética cuando se produce un desajuste entre la oferta y la demanda de energía. En los casos en los que la demanda supera a la oferta, la situación se salda con un fuerte aumento de los precios de las distintas energías, lo que afecta negativamente a los países importadores (compradores de energía), España en particular.

Desde la perspectiva de los países exportadores (vendedores de energía), por ejemplo Iraq o Argelia (en general los pertenecientes a la OPEP), la crisis se desencadena cuando hay exceso de oferta y caen los precios, si bien esta tesitura es ya bastante menos frecuente que la anterior.

Una subida de la demanda que no vaya acompañada de un incremento de la producción resultará en un desequilibrio que a la postre se ajustará a través de los precios, lo que a su vez motivará una nueva oleada de inversiones en busca de nuevos yacimientos, nuevas fuentes de energía y nuevas técnicas de explotación, tendentes a recobrar el equilibrio entre la oferta y la demanda.

¿Qué tipo de energía consumimos?

De todas las fuentes de energía que existen, sólo cinco se utilizan de forma masiva en el mundo. Son, por orden de importancia, petróleo, carbón, gas natural, energía nuclear y energía hidráulica. Ellas satisfacen casi el 95% de las necesidades energéticas a nivel mundial y, en la práctica, son las únicas que pueden responder a la demanda del hombre en condiciones de cantidad, calidad y economía.

Por supuesto existen otras fuentes de energías; en el Tercer Mundo, por ejemplo, se sigue usando la biomasa (leña) para satisfacer las necesidades del hogar.
En los países desarrollados se extiende el uso de las energías renovables como resultado del creciente desarrollo tecnológico y la mayor concienciación ambiental. Una de las más importantes es la energía eólica, seguida a distancia por la energía solar y la biomasa (residuos agrícolas). Las más recientes son la energía mareomotriz (Francia, Canadá) y la energía geotérmica (Islandia). Con todo, todas estas fuentes renovables, a excepción quizás de la eólica, tienen en la mayoría de los países industrializados una relevancia bastante escasa.

Energía vs. Bienestar

El consumo de energía por habitante constituye uno de los indicadores más certeros del grado de desarrollo económico y bienestar de una sociedad. De hecho, la demanda energética de un país mantiene una relación bastante directa con su Producto Interior Bruto, su nivel de industrialización y el nivel de vida alcanzado por sus habitantes.

Históricamente también existen evidencias de la relación entre el desarrollo económico y el consumo energético. Así, un país en el que originalmente predominan las actividades primarias (agricultura, ganadería y pesca) y artesanales presenta un consumo de energía bajo, mientras que en ese mismo país, a medida que crece la población y aumenta el nivel de vida, ganan importancia la industria y el sector transporte, ambos demandantes de una gran cantidad de energía. La creciente mecanización de todas las actividades, incluidas las domésticas, también pone de manifiesto la importancia de la energía.

Los datos también muestran signos claros: Europa y Rusia juntas tienen una población muy parecida a la de África, y sin embargo los primeros consumen casi diez veces más energía. Es más, el 20% de la población mundial disfruta del 80% de la energía consumida a nivel global. En algunas sociedades la energía se derrocha, mientras que en otras ni siquiera existe un suministro eléctrico estable, y este contraste en los consumos guarda una estrecha relación con los contrastados niveles de bienestar social.

La energía en nuestra Historia

La energía siempre ha desempeñado un papel crucial en el desarrollo de las distintas civilizaciones. Ya desde tiempos inmemoriales el hombre utilizaba, además de su propio esfuerzo físico, el trabajo de algunos animales domésticos convertido en energía mecánica, y posteriormente la fuerza del viento y de las corrientes de agua, y el calor obtenido por la combustión de la madera.

La Revolución Industrial, nacida en Inglaterra hacia la segunda mitad del siglo XVIII, supuso una profunda transformación cualitativa y cuantitativa, pues los modelos energéticos de producción y consumo que habían imperado durante milenios empezarían a ser sustituidos por unos nuevos patrones que, además, se difundirían muy rápidamente. Las energías hasta entonces disponibles -madera, animales de carga y molinos de agua, fundamentalmente- darían paso al carbón y más tarde a los hidrocarburos, los aprovechamientos hidráulicos, el gas y los combustibles nucleares.

Esta transición energética no vendría sino acompañada de un espectacular desarrollo tecnológico a través de la máquina de vapor, el motor de explosión, el generador eléctrico y el reactor nuclear. Todos ellos constituyen hoy día los puntos de apoyo básicos en la economía de cualquier sociedad moderna.