Analisi sperimentale di un sistema di raffreddamento evaporativo indiretto a flussi incrociati

Nowadays the air conditioning plays a fundamental role to allow the achievement and maintenance of certain climatic conditions within an indoor environment. In this thesis work, the attention has been focused on cooling; in particular to understand and optimize the humidification process within a plate cross-flow heat exchanger. To achieve this goal an experimental test campaign has been performed in the Polimi ReDECS laboratory supported by a numerical study using a MATLAB model, already developed by the Polimi AirLab research team. The performances of the heat exchanger had been analyzed varying a number of parameters, such as the secondary air operational conditions and flow, the water flow, the number and the diameter of the nozzles, the orientation of nozzles. It is shown that (i) the best performance is achieved with the nozzles oriented in countercurrent with respect to the air flow; (ii) outside air conditions highly affect the performance, and low dry bulb temperature turns out to be more influent than the humidity; (iii) the choice of the secondary air flow that maximizes performance depends on the considered operating conditions; (iv) the number and the diameter of the nozzles, in countercurrent orientation, have no direct influence on efficiency but they are only responsible for water flow variation; (v) increasing the water flow rate, the performance of the heat exchanger improves, but consequently the percentage of evaporated water on the total sprayed water decreases. In most of the analyzed cases, the studied configuration, which considers that the humidification takes place near the heat exchanger, turns out to have better performance than a system with water inlet far from the exchanger surface. This configuration performance is far from the ideal one, achievable with a perfect distribution of water flow in the exchanger plates, and it is reasonable to make further studies on it to make it an even more attractive technology, capable of allowing substantial energy savings when used instead of or in combination with a conventional cooling system.

La climatizzazione degli ambienti indoor riveste un ruolo di fondamentale importanza per garantire il raggiungimento e il mantenimento di determinate condizioni climatiche all’interno di un ambiente. In questo lavoro particolare attenzione viene posta sul raffrescamento degli ambienti. È oggetto di questo lavoro di tesi lo studio del raffreddamento evaporativo indiretto; finalizzato alla comprensione e all’ottimizzazione del processo di umidificazione all’interno di uno scambiatore a flussi incrociati. Per raggiungere questo obiettivo viene effettuata una campagna di prove sperimentali eseguite nel laboratorio Polimi ReDECS affiancata da uno studio numerico tramite un modello elaborato con MATLAB già sviluppato dal gruppo di ricerca Polimi AirLab. Sono state analizzate le prestazioni del recuperatore al variare di parametri rilevanti, quali le condizioni operative e la portata dell’aria secondaria in ingresso, la portata di acqua immessa, il numero e il diametro degli ugelli, l’orientazione degli ugelli. Si evidenzia che (i) le prestazioni migliori si ottengono con gli ugelli orientati in controcorrente rispetto al flusso di aria; (ii) le condizioni dell’aria esterna influiscono molto sulle prestazioni, e quelle migliori prevedono una bassa temperatura di bulbo secco che risulta essere più influente rispetto all’umidità; (iii) la scelta della portata di aria secondaria che massimizza le prestazioni dipende dalle condizioni operative considerate; (iv) il numero e il diametro degli ugelli, con orientazione in controcorrente, non influiscono in maniera diretta sull’efficienza ma sono solo responsabili di una variazione della portata d’acqua immessa; (v) all’aumentare della portata di acqua migliorano le prestazioni del recuperatore, ma diminuisce la percentuale di acqua evaporata rispetto a quella immessa. Nella maggior parte dei casi considerati, la configurazione studiata, che prevede l’umidificazione in prossimità dello scambiatore, risulta avere prestazioni migliori di un sistema con umidificazione a monte dello scambiatore. Tale configurazione, comunque, presenta prestazioni ancora lontane da quelle ottenibili idealmente con una perfetta distribuzione dell’acqua sulle piastre dello scambiatore. È quindi ragionevole svolgere ulteriori studi su di essa per renderla una tecnologia ancora più appetibile e in grado di permettere un sostanzioso risparmio energetico se utilizzata in sostituzione o in combinazione con un tradizionale sistema di raffrescamento.