Design and optimization of a cross-flow indirect evaporative cooling system for data center applications

The study of innovative techniques for cooling systems characterized by a lower consumption of primary energy and greater efficiency is a hot topic for confined spaces such as data centers, which release a massive amount of heat through their continuous operation. The study aims to test, model and optimize the performance of Indirect Evaporative Air Cooling (IEC) systems for data center applications. Some possible configurations of the IEC system were designed and realized in this research, starting from and modifying commercial plate heat exchangers with cross-flow arrangement, different configurations were tested in an experimental campaign and the results have been analyzed and used for the optimization process. Moreover, a numerical model has been developed, validated and used to predict the IEC system performance. The novelty of the research lies in the development of a IEC system focusing on the water distribution and water consumption to maximize the evaporation. This has been achieved starting from the choice of the heat exchanger construction parameters and water misting system. In order to assess different operating aspects of the IEC system, the experimental tests are divided into (i) tests in dry conditions, (ii) test on the adiabatic humidification occurring in the upstream section of the heat exchanger, and (iii) test on the whole IEC system. The results are discussed to highlight the effects on the performance of design and of operational parameters, e.g. the secondary airflow inlet conditions (temperature, humidity ratio, velocity), the water distribution system configuration (i.e. the water inlet direction, parallel or counter-flow arrangement with respect to the secondary airflow) and the type and number of water spraying nozzles (installed on two manifolds in the secondary airflow inlet plenum). A focus on water supply positioning and on heat exchanger rotation angle is done in order to take into account the effect of water distribution throughout the whole heat exchanger and on the plate surface. The effects of heat exchanger parameters on the cooling system are assessed: plenum geometry and dimensions (effects on the complete system performance and on humidification occurring in the secondary airflow inlet plenum), heat exchanger plate dimensions, surface coating material, plate dimple geometry, and plate spacing. A numerical model has been developed starting from a simplified experimental model in dry conditions, and integrated with correlations to take into account the humidification phase before the entry of the air into the heat exchanger (adiabatic saturation in the secondary airflow inlet plenum), and the water distribution on the heat transfer plates. A correlation was proposed for the wettability factor on the plates. Through the numerical analysis and the assumptions made for the model, a practical tool for estimating the performance of the analyzed system starting from the geometry and the inlet conditions has been developed. Simulation of operation in different climate zones shows that the system has the potential to eliminate compressor-based cooling in most climates.

Lo studio di tecniche innovative di raffrescamento caratterizzate da un minor consumo di energia primaria e da una maggiore efficienza è di grande interesse per gli spazi confinati come i data center, che rilasciano una massiccia quantità di calore attraverso il loro funzionamento continuo. Lo studio ha lo scopo di indagare sperimentalmente, modellizzare e ottimizzare le prestazioni dei sistemi di raffrescamento ad aria evaporativo indiretto (IEC) per applicazione in data center. In questa ricerca sono state progettate e realizzate alcune possibili configurazioni del sistema IEC, partendo da e modificando scambiatori di calore a piastre commerciali con disposizione a flussi incrociati, sono state testate diverse configurazioni in una campagna sperimentale e i risultati sono stati analizzati e utilizzati per il processo di ottimizzazione. Inoltre, è stato sviluppato, validato e utilizzato un modello numerico per prevedere le prestazioni del sistema IEC. La novità della ricerca risiede nello sviluppo di un sistema IEC focalizzato sulla distribuzione e sul consumo di acqua per massimizzare l'evaporazione. Questo risultato è stato raggiunto a partire dalla scelta dei parametri di costruzione dello scambiatore di calore e del sistema di nebulizzazione dell'acqua. Al fine di valutare i diversi aspetti operativi del sistema IEC, le prove sperimentali si dividono in (i) prove a secco, (ii) prove di umidificazione adiabatica che avviene nella sezione a monte dello scambiatore di calore, e (iii) prove sull'intero sistema IEC. I risultati vengono discussi per evidenziare gli effetti sulle prestazioni di progetto e dei parametri operativi, ad esempio le condizioni di ingresso del flusso secondario (temperatura, umidità, velocità), la configurazione del sistema di distribuzione dell'acqua (cioè la direzione di ingresso dell'acqua rispetto al flusso di aria secondario) e il tipo e numero di ugelli di distribuzione dell'acqua (installati su due collettori nel plenum di ingresso del flusso secondario). Si pone l'attenzione sul posizionamento dell'alimentazione dell'acqua e sull'angolo di rotazione dello scambiatore di calore per tenere conto dell'effetto della distribuzione dell'acqua su tutto lo scambiatore di calore e sulla superficie della piastra. Vengono valutati gli effetti dei parametri dello scambiatore di calore sul sistema di raffreddamento: geometria e dimensioni del plenum (effetti sulle prestazioni dell'intero sistema e sull'umidificazione che si verifica nel plenum di ingresso del flusso d'aria secondaria), dimensioni delle piastre dello scambiatore di calore, materiale di rivestimento superficiale, geometria delle bugne e spaziatura delle piastre. Un modello numerico è stato sviluppato partendo da un modello sperimentale semplificato in condizioni a secco e a umido con correlazioni che tengono conto della fase di umidificazione prima dell'ingresso dell'aria nello scambiatore di calore (saturazione adiabatica nel plenum di ingresso del flusso secondario) e della distribuzione dell'acqua sulle piastre di scambio termico. È stata proposta una correlazione per il fattore di bagnabilità sulle piastre. Attraverso l'analisi numerica e le ipotesi fatte per il modello, è stato sviluppato uno strumento pratico per stimare le prestazioni del sistema analizzato a partire dalla geometria e dalle condizioni di ingresso. La simulazione del funzionamento in diverse zone climatiche dimostra che il sistema ha il potenziale per eliminare il raffreddamento mediante compressione di vapore nella maggior parte dei climi.