Análisis de humectación y evaporación de fibras en un clima cálido sub-húmedo Humidifying and evaporating analysis of fibers in a sub-humid warm weather Carlos Javier Esparza López, 1 Adolfo Gómez Amador2 y Gabriel Gómez Azpeitia3

RESUMEN

El enfoque adaptativo se ha convertido en una alternativa de acercamiento al fenómeno del confort térmico, desde

una perspectiva que incluye aspectos psicológicos. Algunos de los entusiastas de este enfoque argumentan que la

adaptación psicológica no es excluyente de la adaptación fisiológica, sino que son complementarias. Por otro lado,

está la búsqueda del deleite a través de exponerse a condiciones de disconfort; las personas buscan la estimulación

sensorial al exponerse a experiencias que en teoría se consideran incómodas, situaciones en las que la sensación de

confort pudiera estar fuera de los límites de la comodidad, pero la estimulación voluntaria de los sentidos resulta

gratifican te. Los humanos buscamos ese tipo de experiencias por placer. En el presente trabajo, a través de la revisión

de literatura, se explora la búsqueda del contraste térmico como una característica de la adaptación psicológica ante

condiciones ambientales adversas.

P A L A B R A S e L A V E : enfriamiento evaporativo indirecto, fibras.

ABSTRACT

The adaptive approach it has beco me an alternative of approaching to the phenomenon of thermal cornfort, from

a perspective that includes psychological aspects. Sorne enthusiasts of this approach argue that psychological

adaptation does not exclude physiological adaptation, but are complementary. On the other hand, there is the

pursuit of delight through the exposure to conditions of discomfort; People seek sensory stimulation when expo-

sed to experiences that in theory are considered uncomfortable. Situations where feeling of cornfort might be out

comfort limits, but the voluntary stimulation of the senses results gratifying. Humans seek that kind of experiences

for pleasure. In this paper, through the literature review1 it is explored the pursuit of thermal contrast, as a feature

of psychological adaptation facing adverse environmental conditions.

K E Y W O R D S : indirect evaporative cooling1 fibers.

1 Facultad de Arquitectura y Diseño, Universidad de Colima 1 cesparza@ucol.mx

2 Facultad de Arquitectura y Diseño, Universidad de Colima 1 amad@ucol. mx

3 Facultad de Arquitectura y Diseño, Universidad de Colima 1 ggomez@ucol.mx

bparza, C. .J., Gómez, A. y Gómez, G. 11 Análisis dt> humectación y Pv.lporacion rl<• fih r.1' Pll u n < lim.1 ral ido sub-hu medo

Introducción

Según Yannas et al. (wo6: 2) dentro de los di ferentes

elementos arquitectónicos son los techos los que gene-

ralmente se encuentran más expuestos a las condicio-

nes externas. También comentan que los techos no solo

sirven para ofrecer protección contra los elementos na-

turales, sino también como fuentes y pozos de en ergía

que pueden explotarse para ofrecer calefacción, en fri a-

miento, ventibción e iluminació n a las edifi caciones.

Para el caso que se pretende analizar, la estrategia es

el enfri amiento po r m edio d e la evaporación indirecta

de un espacio. Dentro de los disposit ivos y sistemas que

abarca est.1 estrategia encontramos el techo estanque en

sus múltip les variedades, el techo rociad o en sus dife-

rentes vari edades y el techo con tluj o de agua también

en sus diversas variedades.

Se ha demostr.1do en di versas investigacio nes que

la util ización de var iedades d e techo estanque ayud.1

a disminuir y controlar la temperatura interior de los

espacios con excelentes resul tados en di versos climas,

pero ll eva consigo di versas problemáti cas o desventa-

jas, como lo son:

• Agua. Esto debido a que el dispositi vo se desempeúa

mejor en regiones sec.1s, d onde obviamente escasea

el agua.

• Estructural. Dependiendo el espesor del agua, ésta

incrementa la c.1rga estructural.

• Funcional. Es necesario reali zar preparati \·os como

impermeabili z.K ión o inst;t!aciones especiales para

su funcionamiento.

• Social. Debido a lo inusual del sistema, crea cierta

inseguridad su imp lem ent.K ión en las viviendas por

parte d e los habitantes.

Por otro lado, Ab ernethy (1985) menciona que la

utili zación de estos dispositi vos evita la ap aric ió n d e

ｦｩｳ ｵｲ ｡ｾ＠ en el impermeabili zan te y con ell o la infi ltración

de agua en la losa, al impedir la exposición excesiva d e

calor sobre la gravill a que lo compone y por consiguien-

te su desgaste¡ evita la expansión y contracción excesiva

ll l.\1 ｏｇ｜ｬｾ＠ f'f\ T HI' C l lJ P A i l. r.JJ:I)J<l ,\ MB! l" f\ f!· Y r ,\fRIM Of\ 10

sobre la losa al manten er estable la temperatura de la

mism a, y evita e l shock térmico en la losa ocasionado

po r las di ferencias de temperatura entre el interior y el

exterio r.

Houghten et al. ( 1940) reali zaron p royectos de in -

vestig.Kión en enfr iamiento evaporati vo de un techo

estanque y rociado de agua en cubierta. Los resultados

mostr.uon que ambos sistemas son efecti vos en vari as

clases de techos. Además, se observó que la temperatu-

ra o la cantidad de fluj o de energía transmit ida a través

d el sistem a no sufría alteraciones importantes si la pro-

fundidad del tanque se modifi có de o.os m a o.rs m .

.Sodha ( 1981 y 1985) desarrolló una serie d e experi -

mentos con una pelí cula de agua com o di spositi vo de

enfriamiento evaporativo indirecto en un cl ima cáli do

seco. Encontró que la utili zación de la película ti ene un

desempeño similar a la utili zación d e un tech o estan-

que.

Tiwari ( 19H2 y 199+), Lawrence (1989) y Sriv.1sta-

va ( 1984 ) reali zaron experimentos de dispositi vos en

techos y desarroll aron m odelos an.1líti cos para techos

estanque abiertos con diferentes p rofundidades en la capa de agua estática y en movimi ento.

Tang ( 2003, 2004 y 2005) experimentó con techos

estanque colocando una mall a fl otante en la parte su-

perior, evitando ganancia solar en el techo pero aumen-

tando el área de evaporación del agua. Los resultados

mostraron que es el mejor d ispositi vo comparado con

techos estanque tradicionales.

Para el clim.1 húmedo, debido .1 la baja capacidad eva-

porati va que permite el amb iente1 existen pocos ｇｨｴＩｾ＠

de experimentación respecto al enfr iamiento evapora-

ti vo, podemos mencionar:

Sánchez (1993) real izó la evalu.1ción del techo estan-

que para un cli ma cáli do sub -húmedo. Comparó seis ti-

pos de cubiertas, encontrando que el mejordesempeúo

lo reali zó un tech o estanque con cubierta móvi l.

Rincón et al. ( 2001) desarroll ó la evaluación de d os

dispositi vos en techo en un cl im.l cálido húmedo para

la ciudad de Maracaibo1 Venezuela. el primero aisl.1do

térmicamente y el segundo con un techo est.mque ven-

til ado. Sus resul tados mostraron un mejor desempl.'l'1o

199

Esparza, C. J., Gómez, A. y Gómez, G. 11 Análisis de humectación y evaporación de fibras en un clima cálido sub-húmedo

del techo estanque por sobre los resultados del techo

aislado. Como lo han demostrado las investigaciones sobre

el tema, el enfriamiento evaporativo se desempeña de

manera adecuada en diversos climas, especialmente en

aquellos donde la humedad relativa es baja, pero deja

una ventana de oportunidad en climas de alta hume-

dad.

Por otro lado, el desarrollo de un dispositivo con un

consumó eficiente de agua y con un desempeño similar

a un techo estanque es posible mediante la utilización

de un material que permita aumentar el área de expo-

sición del agua en el ambiente y evite ganancia solar

directa sobre el techo.

Dicho material puede ser una fibra, ya que debido

a la capilaridad que se forma entre los tejidos1 el área

expuesta del agua aumenta de estar solamente de ma-

nera horizontal a encontrarse de manera horizontal y

vertical.

Esta investigación pretende identificar dentro de una

selección de textiles, aquel que aumente dicho poten-

cial evaporativo al incorporar más agua entre sus fibras

y permita evaporarla con mayor rapidez.

Se desarrolló como pre-experimento para la aplica-

ción y análisis de un dispositivo de enfriamiento eva-

porativo indirecto en losa para un clima cálido sub-

húmedo.

Método y diseño del experimento

La investigación muestra la comparación de diez tipos

de fibras analizadas durante la temporada cálido húme-

da en la población de Coquimatlán, Colima.

Periodo de monitoreo

El experimento se desarrolló durante la temporada cáli-

da húmeda para la región de Colima. Ésta corresponde

a-los meses de junio a octubre con temperaturas entre

los 19 oc y los 36 oc, humedades relativas entre 35% y

90%, y humedades absolutas entre los 14 y 18 g de vapor

200

de agua/m3 de aire. El periodo de monitoreo compren-

dió tres días de la tercera semana de octubre de 2012.

Universo de estudio

En total, se analizaron diez fibras:

• Alfombra.

• Popelina.

• Bajo-alfombra.

• Esponja. • Mecate.

• Franela.

• Jerga de cocina.

• Manta cruda.

• Magitela.

• Fieltro.

Instrumentos de monitoreo

Los instrumentos de monitoreo utilizados fueron:

• Báscula granataria marca Torey.

• Cronómetro.

• Recipiente para agua graduado en mililitros.

• Nivel de burbuja.

Variables independientes

Velocidad de entrada del agua. La velocidad de humec-

tación para cada una de las fibras se controló mediante

un sistema de infusión de suero que permitió controlar

el flujo de agua hacia la fibra. Éste se colocó al centro de

la tela a una altura máxima de 15 cm para evitar salpica-

duras fuera del área de la fibra.

Temperatura, humedad y velocidad del viento. Debi-

do a que el experimento se realizó en condiciones am-

bientales, éstas fueron las mismas para cada una de las

fibras, por lo que pueden ser despreciadas en el sentido

de que los resultados de humectación y evaporación se

realizaron bajo condiciones iguales para cada una de las

DIÁLOGOS ENTRE CIUDAD, MEDIO AMBIENTE Y PATRIMONIO

Esparza. C. J., Gómez, A. y Góme:t, G. 11 Análisis de humectación y evaporación de fibras en un clima cálido sub-húmedo

fibras. Aún así, las variables de temperatura y humedad

relativa se mencionan en la parte superior de la tabla 1.

Dimensiones. El tamaño utilizado de la fibra fue de

so cm x so cm. Ésta se colocó sobre una base plana de

vidrio de dimensiones 45 cm x 45 cm con la finalidad de

que 2.5 cm de la fibra pendieran de la base y así poder

identificar cuándo la fibra se encontrará saturada.

Peso inicial. Se calculó el peso inicial de cada una de

las fibras sobre la base de vidrio. Esto con el propósito

de tener el punto inicial antes del suministro de agua

en la fibra y poder identificar, en base al peso, cuando la

fibra se encontrara nuevamente seca.

Variables dependientes

Peso de la fibra humedecida. Se calculó a partir de la

incorporación de agua en la fibra y concluyó hasta el

momento en que cayó la primera gota de agua en cual-

quiera de los cuatro lados de la fibra. Esta variable está

en función de la capacidad de carga de la fibra.

Capacidad de carga de la fibra. Es la cantidad de

agua en mililitro s que puede contener la fibra antes de

derramar una gota en cualquiera de sus lados. Se calculó

a partir de la cantidad inicial de agua en el recipiente

de vertido menos la cantidad restante en el recipiente

después del vertido en la fib ra (ver fi gura 1). Velocidad de humectación. Es la velocidad que tarda

en humectarse la fibra desde que se acciona el sistema

de infusión y hasta que se derrama la primera gota de

agua. Las unidades utili zadas fueron ml/s.

Velocidad de evaporación. Es la velocidad que tarda

en evaporarse el agua que se encuentra inmersa en la

fibra. Se calculó a partir del momento en que se cerró

el sistema de infusión y hasta que la tela retornó al peso

inicial. Las unidades utili zadas fueron mi/ s.

Proceso de aplicación. Se propuso una metodología

nueva para el análisis de las fibras. El proceso de experi-

mentación aplicado fue el siguiente:

• El experimento se reali zó en condiciones ambienta-

les exteriores, con el fin de analizar el desempeño real

de las fibras.

DIÁLOGOS ENTRE C I UDAD, MEDIO AM B IEN TE Y PATRI M ONIO

F 1 GuRA 1. Humectación de fibra. Fuente: Edna Alejandra J iménez

Fibela.

• Se colocó la báscula en un área descubierta, verifi -

cando su total horizontalidad, con la intención de

garantizar que la caída de agua que detendría el pro-

ceso de humidificación fuera por la acción de la satu-

ración de la fibra y no de la gravedad.

• Se capturó el peso de la fibra en seco, incluyendo su

base.

• Se capturó el tiempo de inicio y se procedió a la

inserción de agua y al inicio del cronómetro simultá-

neamente (ver fi gura 2).

F IGURA 2. Inicio de humectación de fib ra. Fuente: Edna Alejandra

J iménez Fibela.

201

Esparza, C. J., Gómez, A. y Gómez, G. 11 Análisis de humectación y evaporación de fibras en un clima cálido sub-húmedo

• Cuando se registró la caída de la primera gota de

agua en cualquiera de sus lados, se detuvieron el cro-

nómetro y la inserción de agua simultáneamente.

• Se capturó el peso de la fibra humedecida, la dura-

ción del proceso de humectación y la cantidad de

agua perdida en el recipiente de inserción de agua.

• Se retiró de la báscula y se colocó en una base expues-

ta a las condiciones ambientales. Esta base se niveló

previamente al inicio de la experimentación para ga-

rantizar el efecto evaporativo de secado y evitar el

escurrimiento del agua por efecto de la gravedad.

• El peso de la fibra se monitoreó en lapsos de media

hora, buscando el momento en que el peso de la fibra

igualara al peso inicial de la fibra en seco, ya que esto

significaría que la fibra habría logrado evaporar toda

el agua inmersa en ella.

• Este proceso se repitió consecutivamente con todas

las telas, es decir, cuando se concluyó la etapa de in-

serción de agua de la primera y se colocó en la base

para iniciar su secadoj inmediatamente después se

inició con el proceso de la segunda fib ra, y así sucesi-

vamente.

• La experimentación se repitió durante tres días para

poder omitir en lo posible datos discordantes.

Resultados

Debido a la gran cantidad de datos obtenidos en los

monitoreos y pesajes, se muestra un día característico

de los tres días de monitoreo (ver tabla 1). En la tabla 1 se muestra el concentrado de los resul-

tados de monitoreo de las diez fibras anali zadas. En

la columna de peso inicial de la fibra y el vidrio, sus

diferencias radican en la propia densidad de la fibra y

en las irregularidades microscópicas del vidrio. En la

columna de P.T.H. se encuentra el dato del peso to-

tal de la fibra humectada. La columna T.H. muestra el

tiempo que transcurrió para qile la fibra se humectara totalmente. La columna V.A. indica el volumen de agua

inmerso en la fib ra. En las columnas Pt, P2, P3, P 4, P5

y P6 muestran el pesaje de cada fibra en lapsos de 30

202

TABLA 1. Datos obtenidos del monitoreo de fibras.

Fuente: elaboración propia con apoyo de alumnas de licenciatura.

minutos. Cuando la fibra regresó a su peso inicial, los

datos subsecuentes en sus columnas correspondientes

quedaron en blanco.

A partir de este punto, uno de los datos importantes

de la investigación ya se puede indicar. La capacidad

de carga de la fibra está determinada por el volumen

de agua de la misma. Entonces, con base en la tabla 1, la

fibra que mayor cantidad de agua retiene inmersa en sí

es la magitela, con 525 mlj seguida por la alfombra y la

jerga de cocina, con 425 ml, y el fieltro con 400 ml.

Con estos datos se obtuvo la velocidad de humecta-

ción, que se calculó a partir del volumen de agua (V.A.)

dividido entre el tiempo que transcurrió para que la

fibra se humectara totalmente (T.H.) (ver tabla 2).

Como se observa en la tabla 2, las fibras con una ve-

locidad de absorción mayor fueron la jerga de cocina y

la manta cruda con 5·4 ml/ s, seguidas por la magitela y

el mecate con 5.3 ml/ s.

A fin de poder obtener la velocidad de secado es

necesario iniciar de condiciones similares para todas

las fibras, es decir que todas hipotéticamente cargaran

la misma cantidad de agua y, así, conocer el tiempo de

evaporación del mismo volumen de agua. Para esto se

obtuvo la correlación del peso de la fibra humectada de

cada fibra con el tiempo que tardó en retornar al peso inicial (ver gráfica 1).

Con las ecuaciones de la línea de tendencia de cada

correlación, es posible predecir el tiempo de secado de

DI ÁLOGOS ENTRE CIUDAD, MEDIO AMBIENTE Y PATRIM ONIO

Esparza, C. J., Gómez, A. y Gómez, G. 11 Análisis de humectación y evaporación de fibras en un clima cálido sub-húmedo

TABLA 2. Datos obtenidos del monitoreo de fibras.

6 FRANELA

7 JERGA DE COCINA

8 MANTA CRUDA

Fuente: elaboración propia.

¡, .. ¡...... _______________ _

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Ｑ ］Ａｾ ﾷ ＭＭＭＭＭＭＭＭｾ ＧＭＭＭＭｾＭＭｾ ﾷｾＭＭＭＭＭＭＭＭＭ ｲｾ ＭＭＭＭ ｾ ﾷ ＭＭＭＭＭ ＮＭＭＭＭＭＭＭＭＭＭＭ ﾷＭＭＭＭ ｾ ﾷ ＭＭＭＭＭ

1

.... -

Gráfica 1. Correlación entre peso de fibra humectada entre ti empo

de evaporación de cada fibra. Fuente: elaboración propia.

cada fibra a partir de un volumen de agua igual para to-

das las fibras. El volumen propuesto para todas las fibras

fue de soo mi (ver tabla 3). Finalmente, en la tabla 3 podemos observar la veloci-

dad hipotética de secado de las fibras si todas cargaran

medio litro de agua. La fibra que mejor se desempeña

es la magitela con un tiempo de secado de 21.1 minutos,

y después el fieltro con 25.4 minutos. Sus velocidades de

secado son ·39 ml/ s y ·33 ml/ s, respectivamente.

DIÁLO GOS ENTRE CIUDAD, M E DIO AMBIENTE Y PATRIMON IO

TABLA 3· Velocidad de secado, capacidad de carga y veloádad de

humectación de fibras.

Fuente: elaboración propia.

Conclusiones

Partiendo de la tabla 3, donde se observan las variables

más importantes a considerar para la utilización de una

fibra como enfriamiento evaporativo indirecto, como

lo son la capacidad de carga o la cantidad de agua que

carga de la fibra, la velocidad de humectación y la ve-

locidad de secado de la misma, podemos descartar a la

popelina, bajo-alfombra, esponja, mecate y franela por

demostrar los desempeños menos favorables en las tres

variables.

Aunque la alfombra mostró tener una gran capaci-

dad de carga, su velocidad de secado y de humectación

resultan bajas.

La manta cruda muestra una buena velocidad de

humectación, pero su baja capacidad de carga de agua

y su lenta velocidad de evaporación la descarta.

Destacan como las mejores opciones la jerga de coci-

na, el fieltro y la magitela. La jerga muestra buena capaci-

dad de carga y alta velocidad de humectación, pero una

lenta velocidad de secado. El fieltro muestra una buena

capacidad de carga de agua y velocidad de humectación

y una excelente velocidad de secado. Por último, lama-

gitela se desempeña de la mejor manera en la capacidad

de carga de agua y en la velocidad de secado, y de manera

buena en la velocidad de humectación.

203

Esparza, C. J., Gómez, A. y Gómez, G. 11 Análisis de humectación y evaporación de fibras en un clima cálido sub-húmedo

Se puede concluir que por sus características de hu-mectación y evaporación, la jerga de cocina, la magi-tela y el fieltro resultan ser las mejores opciones como material de prueba en el desarrollo de un dispositivo eficiente de enfriamiento evaporativo indirecto para un clima cálido húmedo.

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CARLOS JAVIER ESPARZA LÓPEZ 1 Arquitecto por la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, maestro en Arquitectura por la Universi-dad de Colima. Actualmente cursa el cuarto semes-tre del Programa Interinstitucional de Doctorado en Arquitectura (PIDA) con sede en Colima. Pro-fesor por asignatura en la Universidad de Colima. Investigador adjunto del cuerpo académico UCOL-CA25 Arquitectura y Medio Ambiente. ADOLFO GÓMEZ AMADOR 1 DoctorenArquitec-tura por la UNAM. Profesor investigador en la Uni-versidad de Colima. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores nivel l. Sus líneas de investiga-ción se desarrollan en torno a los temas de siste-mas de ventilación y caracterización climática. LUIS GABRIEL GÓMEZ AZPEITIA 1 Doctor en Arquitectura (UNAM). Profesor investigador en la Universidad de Colima. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores nivel II. Sus líneas de investigación se desarrollan en tomo a los temas de confort térmico y estrategias de enfriamiento pasivo para cubiertas, principalmente. Coordina-dor editorial de Palapa.

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