Analisi sperimentale e numerica di un sistema di raffreddamento evaporativo indiretto : influenza dei materiali e della geometria

This thesis deals with the analysis and optimization of an indirect evaporative cooling system (IEC). This configuration can be considered an interesting solution, in order to reduce the cost of air conditioning in the data centers compared to conventional vapour compression machines. The experimental setup, available at the Politecnico di Milano ReDeCS (Recovery Dessicant Cooling Systems) Laboratory, consists in a cross-flow plate heat exchanger. The water is sprayed in the close proximity of the exchanger itself, in one of the two air streams, in order to reduce the air temperature and create a film of water on the plates of channels crossed by this air flow. Experimental tests have been carried out, in order to characterize the influence of the size of the recuperator plates, the role of different dimples of semispherical shape on the water film and eventually the contribution of the material to the overall performance of the system. The results showed a considerable dependence on the type of dimples on the plate. Moreover, the surface coating of the material plays a relevant role on the flow of liquid film inside the channels. After the experimental stage, a numeric analysis followed. The target was to optimize the pre-existing mathematical model. In particular the calculation process on the wettability of the surface of the exchanger has changed, for different materials and for different sizes of recuperators, both with humidifying in the upper and side plenum. The new model considers a nearly linear degradation of the wettability coefficient instead of keeping it constant as in the pre-existing code, in order to simulate optimally the progress of the water film inside the recuperator.

Il presente lavoro di tesi riguarda l’analisi e l’ottimizzazione di un sistema di raffreddamento evaporativo indiretto (IEC); questa tecnologia impiantistica risulta una configurazione di particolare interesse al fine di ridurre i costi legati alla climatizzazione nei data centers rispetto alle tradizionali macchine a compressione di vapore. Il setup sperimentale, disponibile presso il Laboratorio ReDeCS (Recovery Dessicant Cooling Systems) del Politecnico di Milano, consiste in un recuperatore di calore a piastre a flussi incrociati. In una delle due correnti d’aria viene nebulizzata dell’acqua nelle prossimità dello scambiatore stesso al fine di ridurne la temperatura e creare un film d’acqua sulle piastre dei canali percorsi da questo flusso d’aria. Sono state svolte prove sperimentali con lo scopo di caratterizzare l’influenza delle dimensioni delle piastre del recuperatore, il ruolo di diverse tipologie di bugne sul film d’acqua ed infine il contributo del materiale dello scambiatore sulle prestazioni complessive del sistema. I risultati hanno mostrato una significativa dipendenza rispetto alla tipologia di bugna presente sulle piastre del recuperatore; inoltre il rivestimento superficiale del materiale ricopre un ruolo non trascurabile sullo scorrimento del film liquido all’interno dei canali dello scambiatore. Alla prima fase sperimentale ne è seguita una numerica il cui obiettivo è stato l’ottimizzazione del modello matematico preesistente. In particolare è stato modificato il processo di calcolo relativo alla bagnabilità della superficie dello scambiatore, per i diversi materiali e per le diverse dimensioni dei recuperatori, sia con l’umidificazione posta nel plenum superiore sia in quello laterale. Il nuovo modello considera un degrado pressoché lineare del coefficiente di bagnabilità della piastra, invece di mantenerlo costante come nel codice preesistente, al fine di simulare in maniera ottimale l’andamento del film d’acqua all’interno del recuperatore.