First experimental results of a vortical direct contact heat exchanger for HVAC systems

The search for more efficient systems of energy production and distribution has lead to develop a new technology for HVAC systems: the Vortical Direct-contact Heat Exchanger (VDHX) is an evolution of the Microgravity Vortex Separator developed at Texas A&M University and is used to reduce air humidity levels and temperature through a direct-contact heat exchange. Warm and humid air enters the VDHX volute tangentially and is centripetally accelerated forming an air vortex that gets mixed with chilled water sprayed through a number of nozzles placed on the internal surface of the mixing section. Water droplets form a heat exchanging surface where air is first cooled down and then dehumidified through condensation. Finally, thank to the vortical motion and the difference of densities of the two fluids, the centrifugal acceleration field separates water from the air stream. Inside the VDHX water is heated and, with a higher temperature, flows into the evaporator of the heat pump increasing its evaporation temperature, reducing the compressor’s power consumption and raising the coefficient of performance. This research was conducted at the laboratories of the Oklahoma State University. This thesis describes the new experimental facility that has been designed and assembled and presents the first set of tests of the experimental setup. Tests gave positive results relating to the VDHX operation and define an important starting point for future studies and developments.

La ricerca di sistemi di produzione e distribuzione di energia più efficienti ha portato a sviluppare una nuova tecnologia per sistemi termotecnici di climatizzazione: lo scambiatore di calore a contatto diretto a vortice (Vortical Direct-contact Heat Exchanger o VDHX) è un'evoluzione del separatore di fase (Vortex Microgravity Separator) sviluppato presso la Texas A & M University e viene utilizzata per ridurre il livello di umidità e la temperatura dell'aria attraverso uno scambio di calore a contatto diretto. Aria calda e umida entra tangenzialmente nella voluta del VDHX e viene accelerata centripetamente formando un vortice d'aria che viene miscelato con acqua refrigerata spruzzata attraverso una serie di ugelli posti sulla superficie interna della sezione di miscelazione. Le gocce d'acqua formano una superficie di scambio termico in cui l'aria viene prima raffreddata e poi deumidificata per condensazione. Infine, grazie al moto vorticoso e alla differenza di densità dei due fluidi, il campo di accelerazione centrifuga separa l'acqua dal flusso d'aria. All’interno del VDHX l’acqua viene riscaldata e, con una temperatura maggiore, attraversa l’evaporatore di una pompa di calore aumentando la temperatura di evaporazione, riducendo il consumo di potenza del compressore e quindi, migliorando il coefficiente di prestazione. Questa ricerca è stata condotta presso i laboratori della Oklahoma State University; la tesi descrive il nuovo impianto sperimentale che è stato progettato e assemblato e presenta i risultati della prima serie di prove effettuate su di esso. I test hanno dato risultati positivi relativamente al funzionamento del VDHX e definiscono un punto di partenza importante per studi e sviluppi futuri.