Valutazione delle prestazioni di scambiatori evaporativi con configurazione migliorata

The present thesis work is based on an internship carried out at Mita Cooling Technologies, an important evaporative exchangers manufacturer. The main goals of this work are three: 1. Check the validity of the old calculation model used by the company and perform its calibration on the experimental measurements; 2. Implement calculation codes that allow simulating the operation of the evaporative tower in innovative configurations; 3. Evaluating the results provided by the numerical model and understand in which applications the use of an innovative configuration is particularly advantageous. Initially the pressure losses suffered by the process fluid flowing inside the exchanger tubes are calculated. Exploiting the knowledge of the roughness of the tube, found by minimizing the difference between the pressure losses provided by the numerical model and those experimentally measured, the old calculation code used by the company is modified by replacing the Dittus-Boelter correlation with that of Gnielinski. By calibrating the two versions of the numerical model on the experimental tests, it is verified that the Dittus-Boelter correlation allows a better representation of the problem. Once the most suitable correlations to describe the considered tower model have been determined, the next step is the calibration of the numerical model on the experimental measurements by modifying the heat and mass transfer correlations by inserting appropriate corrective factors. The second part of the work focuses on the writing of the calculation codes aimed at simulating the functioning of innovative configurations. The first two innovative operating modes evaluated include the addition of an exchange pack, respectively above and below the evaporative heat exchanger tubes. The addition of an exchange pack comes from the consideration that a lower temperature of the recirculating liquid along the evaporative exchanger favors the heat and mass exchange with the air and, consequently, allows an increase in performance. The performance increase provided by both configurations was rather limited, this due to a non-optimal trend in fluid temperatures (characterized by very high ΔT in the top of the tower and very low in the remaining part). This observation suggested to reverse the direction of the process fluid, which will then be directed from the bottom upwards, giving rise to three new configurations. Having defined five innovative configurations, their performance was evaluated in different calculation points characterized by different ambient air conditions and different air speeds. The configuration 4, characterized by an exchange pack positioned under the tubes of the evaporative exchanger and a process fluid directed from the bottom upwards, is more performing than the other configurations evaluated. Once the best functioning mode is established, an extended comparison is made between the latter and the classic configuration. The configuration 4 allows a significant performance increase, these benefits translate into the possibility of using an evaporative exchanger characterized by a lower number of ranks. The last part of the work focuses on the comparison between the configuration 4 with reduced rank (6 for accuracy) and the classic configuration with 10 ranks. The two configurations offer comparable powers, this is a noteworthy fact as the economic savings guaranteed by fewer ranks is definitely significant. The economic advantage is such as to justify the investment costs of the exchange package and the increase in operating costs due to the greater pressure losses suffered by the air (again due to the presence of the exchange package).

Il presente lavoro di tesi nasce da uno stage svolto presso l’azienda Mita Cooling Technologies, importante produttrice di scambiatori evaporativi. I principali obiettivi del lavoro sono tre: 1- Verificare la bontà del vecchio modello di calcolo utilizzato dall’azienda ed eseguire la sua calibrazione sulle misure sperimentali; 2- Implementare dei codici di calcolo che permettano di simulare il funzionamento della torre evaporativa in configurazioni innovative; 3- Valutare i risultati forniti dal modello numerico e comprendere in quali applicazioni l’utilizzo di una modalità di funzionamento innovativa risulti particolarmente vantaggioso. Inizialmente si calcolano le perdite di carico subite dal fluido di processo che scorre all’interno dei tubi dello scambiatore. Sfruttando la conoscenza della rugosità del tubo, trovata minimizzando la differenza tra le perdite di carico fornite dal modello numerico e quelle misurate sperimentalmente, si modifica il vecchio codice di calcolo utilizzato dall’azienda sostituendo la correlazione di Dittus-Boelter con quella di Gnielinski. Calibrando le due versioni del modello numerico sulle prove sperimentali, si verifica che la correlazione di Dittus-Boelter permette una miglior rappresentazione della fisica del problema. Determinate le correlazioni più idonee per descrivere il modello di torre considerato, si procede nella calibrazione del modello numerico sulle misure sperimentali modificando le correlazioni di scambio termico e di massa inserendo degli opportuni fattori correttivi. La seconda parte del lavoro si concentra sulla scrittura dei codici di calcolo volti a simulare il funzionamento delle configurazioni innovative. Le prime due modalità di funzionamento innovative valutate prevedono l’aggiunta di un pacco di scambio, rispettivamente sopra e sotto i tubi dello scambiatore evaporativo. L’idea dell’aggiunta di un pacco di scambio deriva dalla considerazione che una minor temperatura del liquido di ricircolo lungo lo scambiatore evaporativo favorisce lo scambio termico e di massa con l’aria e, di conseguenza, permette un aumento delle prestazioni. L’incremento prestazionale fornito da entrambe le configurazioni è risultato piuttosto limitato, questo per via di un andamento delle temperature dei fluidi non ottimale (caratterizzato da ΔT molto elevati nella sommità della torre e molto ridotti nella restante parte). Questa osservazione ha suggerito di invertire la direzione del fluido di processo, che sarà quindi diretto dal basso verso l’alto, dando origine a tre nuove configurazioni. Definite cinque configurazioni innovative, sono state valutate le loro prestazioni in diversi punti di calcolo caratterizzati da diverse condizioni dell’aria ambiente e diverse velocità dell’aria. La configurazione 4, caratterizzata da un pacco di scambio posizionato sotto i tubi dello scambiatore evaporativo e un fluido di processo diretto dal basso verso l’alto, è più performante rispetto alle altre configurazioni valutate. Stabilita la migliore modalità di funzionamento, viene svolto un confronto esteso tra quest’ultima e la configurazione classica. La configurazione 4 permette un significativo aumento prestazionale, questi benefici si traducono nella possibilità di utilizzare uno scambiatore evaporativo caratterizzato da un minor numero di ranghi. L’ultima parte del lavoro si concentra sul confronto tra la configurazione 4 a ranghi ridotti (6 per la precisione) e la configurazione classica dotata di 10 ranghi. Le due configurazioni offrono potenze confrontabili, questo è un fatto degno di nota in quanto il risparmio economico garantito da un minor numero di ranghi è decisamente significativo. Il vantaggio economico è tale da giustificare i costi d’investimento del pacco di scambio e l’incremento dei costi d’esercizio dovuti alle maggiori perdite di carico subite dall’aria (sempre per via della presenza del pacco di scambio).