Experimental and numerical optimization of indirect evaporative cooling systems for data centers

This thesis deals with the analysis and optimization of an indirect evaporative cooling system (IEC) through an experimental and numerical approach. The investigated technology plays a role of particular interest in the air conditioning of data centers, as, compared to traditional cooling methods based on vapour compression cycles, it allows a reduction in energy consumption and costs. The experimental campaigns, carried out on cross-flow plate heat exchangers, have been performed at the ReDeCS Laboratory (Recovery Dessicant Cooling Systems) of Politecnico di Milano. In the test rig the secondary air humidification occurs through the evaporation of water supplied in a range between 3 and 9 l/min, while the product air is cooled without increasing its humidity ratio, which is a fundamental requirement to avoid the servers damaging inside data centers. The main purpose of the tests that have been performed is to characterize, for two different layouts, co-current and counter-current, the influence of surface geometry and plates pitch on efficiency and pressure drops. On the basis of the obtained results, a new geometry, in order to optimize the system performances, has been proposed and tested afterwards. After the experimental activities, the collected data have been used to calibrate a numerical model able to simulate the functioning of the system. The coefficients of the equations that model the secondary air pre-humidification process and the heat exchange process have been determined. Subsequently, a new correlation has been developed in order to determine the actual plates wettability, assuming that this parameter is constant along the water propagation direction due to the high liquid flow rates.

Il presente lavoro di tesi concerne l’analisi e l’ottimizzazione di un sistema di raffreddamento evaporativo indiretto (IEC) mediante un approccio sperimentale e numerico. La tecnologia studiata riveste particolare interesse nella climatizzazione dei data centers, in quanto permette una riduzione dei consumi energetici e dei costi ad essi correlati, rispetto ai tradizionali metodi di raffrescamento basati su macchine a compressione di vapore. Le campagne sperimentali, condotte su scambiatori a piastre a flussi incrociati, sono state eseguite presso il Laboratorio ReDeCS (Recovery Dessicant Cooling Systems) del Politecnico di Milano. Nel sistema studiato l’umidificazione dell’aria secondaria avviene attraverso la nebulizzazione di acqua in un range compreso tra 3 e 9 l/min, mentre l’aria di rinnovo viene raffreddata mantenendo invariata la sua umidità, requisito fondamentale per evitare il danneggiamento dei server all’interno dei data centers. Le prove sperimentali svoltesi hanno lo scopo di caratterizzare, per due diverse configurazioni, equicorrente e controcorrente, l’influenza di geometria superficiale e passo delle piastre sull’ efficienza e sulle perdite di carico. Sulla base dei risultati ottenuti è stata proposta, e successivamente testata, una nuova geometria che ottimizzi le prestazioni. A valle dell’attività sperimentale, si sono utilizzati i dati raccolti per calibrare un modello numerico in grado di simulare il funzionamento del sistema. In particolare sono stati determinati i coefficienti delle equazioni che modellizzano il processo di pre-umidificazione dell’aria secondaria e il processo di scambio termico. E’ stata successivamente sviluppata una nuova correlazione per determinare l’effettiva bagnabilità delle piastre, assunta costante lungo la direzione di propagazione del film d’acqua a causa delle elevate portate di liquido nebulizzate.