Sviluppo di un modello di calcolo per la valutazione delle prestazioni di scambiatori evaporativi di diverse configurazioni

The analysis presented in this work comes from an internship experience at the Mita company, a cooling towers’ manufacturer. The work has two objectives: 1. Development of a numerical model for evaluating the performance of closed-circuit cooling towers 2. Searching for possible improvements aimed at increasing the heat transfer capacity The first part of the work consists of the development of a computer code in FORTRAN language based on a one-dimensional and stationary model. Compared to the programs already in use at the company, the main difference is the elimination of the hypothesis of recirculating water constant temperature, assumption often made for reasons related to the computational time. The results obtained are compared with data from experimental tests to evaluate the model's accuracy in terms of exchanged power and pressure losses: for the different operating conditions analyzed, the agreement between the two values is optimal. The second part of the work focuses instead on the study of possible solutions aimed at improving the performance of the heat exchanger under different operating conditions. The first solution considered to increase the thermal power is to increase the exchange surface by inserting two additional rows: this solution has been taken as a yardstick, for reasons of simplicity of implementation and qualitative evaluation of the additional costs. The other improvements that have been analyzed are the following: • Use of corrugated tubes for the realization of the exchange battery • Inserting a water-water plate heat exchanger upstream of the evaporative heat exchanger • Inserting a fill pack downstream of the evaporative heat exchanger The use of corrugated tubes allows obtaining an average power increase of 3.7%, against an increase of pressure loss of 57.2%. The plate exchanger allows increasing the thermal power but implies an increase in the costs of realization, a complication of the system and a lower compactness of the device. The sizing is performed using SSP software realized by Swep and allows to calculate the pressure drop and the surface area of the plate exchanger necessary to obtain increases in power comparable with other cases. The solution that provides the use of a fill pack downstream of the battery is evaluated using the Merkel equation for the calculation of the tower. Also in this case exchanger performances are evaluated; this arrangement allows a thermal power average increase of 5.8%.

L’analisi svolta nel lavoro di tesi presentato nasce da un’esperienza di tirocinio presso l’azienda Mita, produttrice di torri e scambiatori evaporativi. Lo studio è finalizzato a un duplice obiettivo: 1. Sviluppo di un modello numerico per la valutazione delle prestazioni di torri evaporative a circuito chiuso 2. Ricerca di possibili modifiche applicabili agli scambiatori al fine di incrementare lo scambio termico La prima parte del lavoro consiste nella realizzazione di un codice di calcolo in linguaggio FORTRAN basato su un modello monodimensionale e stazionario. Rispetto ai programmi di preventivazione già in uso presso l’azienda, la principale differenza è legata al fatto che viene meno l’ipotesi di temperatura dell’acqua di ricircolo costante, assunzione che spesso viene fatta per ragioni legate ai tempi computazionali. I risultati ottenuti sono stati messi a confronto con i dati forniti da prove sperimentali per valutare l’accuratezza del modello in termini di potenza scambiata e perdite di pressione: per le diverse condizioni operative analizzate, l’accordo tra i due valori risulta ottimale. La seconda parte del lavoro si focalizza invece sullo studio di possibili modifiche finalizzate al miglioramento delle prestazioni dello scambiatore per diverse condizioni operative. La prima soluzione presa in considerazione per incrementare la potenza scambiata consiste nell’aumentare la superficie di scambio tramite inserimento di due ranghi aggiuntivi: questa disposizione dello scambiatore è stata assunta come termine di paragone per ragioni legate alla semplicità di realizzazione e di valutazione qualitativa dei costi aggiuntivi. Le altre modifiche che sono state analizzate sono le seguenti: • Utilizzo di tubi corrugati per la realizzazione della batteria di scambio • Inserimento di uno scambiatore a piastre acqua-acqua a monte dello scambiatore evaporativo • Inserimento di un pacco di riempimento a valle dello scambiatore evaporativo L’utilizzo di tubi corrugati permette di ottenere un incremento di potenza medio del 3,7% a fronte di un aumento di perdite di carico del 57,2%. L’inserimento dello scambiatore a piastre permette di incrementare la potenza scambiata ma implica un aumento dei costi di realizzazione, una complicazione dell’impianto e una minore compattezza del dispositivo. Il dimensionamento è stato effettuato utilizzando il software SSP realizzato da Swep e ha permesso di calcolare le perdite di carico e la superficie dello scambiatore a piastre necessaria per ottenere incrementi di potenza confrontabili con gli altri casi. La soluzione che prevede l’utilizzo di un pacco di riempimento a valle della batteria è stata valutata utilizzando l’equazione di Merkel per il calcolo della torre. Anche in questo caso sono state valutate le prestazioni dello scambiatore in termini di potenza scambiata, trovando che questa disposizione permette un incremento medio del 5,8%.