Experimental wettability analyses and computational fluid dynamics modeling of indirect evaporative cooling systems

Nowadays, heating, ventilation, and air conditioning systems are becoming increasingly important in various fields, particularly due to the rise in global average temperatures. In this context, Indirect Evaporative Cooling (IEC) and Dew-Point Indirect Evaporative Cooling (DIEC) systems are gaining popularity, as they use the latent heat of vaporization of water to cool down an air stream without increasing its humidity ratio. Therefore, these systems represent very promising technologies to face the issues of climate change, as they allow to achieve the desired thermohygrometric conditions in the cooled environment, with a lower energy consumption compared to traditional air conditioning systems. Nevertheless, all the analytical and numerical models developed for predicting the behavior and performance of IEC and DIEC systems either assume fully wetted heat exchanger plates, thus potentially reducing the accuracy of the results under certain conditions, or estimate the wettability factor through data-driven models, thus leading to a loss of generality. Therefore, the main scope of this work is the development of a novel Computational Fluid Dynamics model, based on experimental data regarding the wettability of the heat exchangers plates, capable of accurately predicting the behavior and performance of IEC systems. In particular, the open-source software OpenFOAM was used for the numerical simulations, which were successfully validated against existing experimental data. After validation, the model was used to compare the performance of three different commercial surfaces, both when clean and when fouled with limescale deposits, showing that an increase in the wettability of the plates leads to an improvement in the system performance. Additionally, as a secondary objective of the work, an experimental analysis on the feasibility of using innovative foamed materials for DIEC systems plates was conducted in collaboration with the University of Córdoba and the Andaltec company.

Ad oggi, i sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell’aria stanno diventando sempre più importanti in diversi ambiti, soprattutto a causa dell’aumento delle temperature medie globali. In questo contesto, i sistemi di raffrescamento evaporativo indiretto (IEC) e di raffrescamento evaporativo indiretto a punto di rugiada (DIEC) stanno guadagnando popolarità, poiché utilizzano il calore latente di evaporazione dell'acqua per raffreddare un flusso d'aria senza aumentarne l'umidità assoluta. Pertanto, questi sistemi rappresentano tecnologie molto promettenti per affrontare le problematiche del cambiamento climatico, in quanto consentono di raggiungere le condizioni termoigrometriche desiderate nell’ambiente raffrescato, con un consumo energetico inferiore rispetto ai tradizionali sistemi di condizionamento. Tuttavia, tutti i modelli analitici e numerici sviluppati per prevedere il comportamento e le prestazioni dei sistemi IEC e DIEC o ipotizzano che le piastre dello scambiatore di calore siano completamente bagnate, riducendo potenzialmente l'accuratezza dei risultati in determinate condizioni, oppure stimano il fattore di bagnabilità attraverso modelli “data-driven”, causando una perdita di generalità. Pertanto, lo scopo principale di questo lavoro è lo sviluppo di un nuovo modello di fluidodinamica computazionale, basato su dati sperimentali riguardanti la bagnabilità delle piastre degli scambiatori di calore, in grado di prevedere accuratamente il comportamento e le prestazioni dei sistemi IEC. In particolare, il software open-source OpenFOAM è stato utilizzato per le simulazioni numeriche, che sono state validate con successo rispetto a dati sperimentali esistenti. Dopo la validazione, il modello è stato utilizzato per confrontare le prestazioni di tre diverse superfici commerciali, sia pulite che sporcate da depositi di calcare, dimostrando che un aumento della bagnabilità delle piastre porta ad un miglioramento delle prestazioni del sistema. Inoltre, come obiettivo secondario del lavoro, è stata condotta un'analisi sperimentale sulla fattibilità dell'utilizzo di materiali espansi innovativi per le piastre dei sistemi DIEC, in collaborazione con l'Università di Córdoba e l'azienda Andaltec.