Process engineering experimental determination of heat and mass transfer coefficients in thermoformed PVC evaporative media

Technische Zusammenfassung: Prozessingenieurtechnische experimentelle Bestimmung der Wärme- und Stofftransportkoeffizienten in thermoformierten PVC-Verdunstungsmedien

Problemstellung
Die direkte Verdunstungskühlung (Direct Evaporative Cooling, DEC) ist eine weit verbreitete Technologie aufgrund ihrer Energieeffizienz und der Verwendung von Wasser als Arbeitsmedium. Die technische Auslegung von DEC-Systemen wird jedoch durch mehrere kritische Lücken behindert, die in der bestehenden Literatur identifiziert wurden. Ein primäres Problem ist die weit verbreitete Annahme, dass Wärme- und Stoffübertragungsraten in der Verdunstungskühlung mit gleichen Raten erfolgen, was einen Lewis-Faktor ($N_{Le}$) von eins impliziert. Vorherige Studien haben signifikante Diskrepanzen zwischen dieser Annahme und experimentellen Ergebnissen aufgezeigt, wobei die Lewis-Faktoren je nach Feuchtigkeit und Strömungsbedingungen zwischen 0,6 und 1,3 variieren. Darüber hinaus mangelt es an zuverlässigen, exakten Korrelationen zur Bewertung der Wärme- und Stofftransportkoeffizienten speziell für thermoformierte PVC-Medien sowie an vereinfachten, aber präzisen mathematischen Gleichungen, die diese Koeffizienten mit der Luftlineargeschwindigkeit in Beziehung setzen. Diese Arbeit adresset das Bedürfnis, diese Lücken durch die experimentelle Bestimmung dieser Koeffizienten und die Entwicklung einer verlässlichen Designmethodik zu schließen.

Methodik
Die Studie verwendete einen Versuchsaufbau, bestehend aus einer direkten Verdunstungskühleinheit mit vier Saugventilatoren und zwei Testsektionen, die Blöcke aus thermoformierten PVC-Verdunstungsmedien mit einer Dicke von bis zu 40 cm aufnehmen können. Es wurden drei Typen von Folienfüllmedien (Onda 12, 19 und 27) mit spezifischen Oberflächen von 248, 152 und 120 $m^2/m^3$ jeweils verwendet.

Die experimentelle Kampagne deckte ein breites Spektrum an Betriebsparametern ab:

• Volumetrische Luftdurchflussraten: 4.000 bis 16.000 $Nm^3/h$ (entspricht frontalen Luftgeschwindigkeiten von 0,79–3,16 $kg/m^2\cdot s$).
• Wasserbesprühungsraten: 2,39–9,58 $kg/m^2\cdot s$.
• Thermische Bedingungen: Einlauftrockenkugeltemperaturen von 35 °C bis 43 °C und Kaltluftertemperaturen von 17 °C bis 25,5 °C.

Die Messungen wurden unter Verwendung von E-Typ-Thermoelementen für Trocken- und Kaltlufttemperaturen, einem Heißdraht-Anemometer für die Luftgeschwindigkeit und einem Thermohygrometer für die Luftfeuchtigkeit durchgeführt. Die Daten wurden automatisch jede Minute aufgezeichnet. Die experimentellen Daten wurden mittels mathematischer Modellierung basierend auf simultanen Wärme- und Stoffbilanzgleichungen analysiert. Die Studie nutzte statistische Regression, um die experimentellen Daten mit theoretischen Modellen zu korrelieren, wobei insbesondere die Beziehung zwischen den Nusselt- ($Nu$) und Sherwood- ($Sh$) Zahlen untersucht wurde.

Wesentliche Beiträge und Ergebnisse
Die Forschung lieferte mehrere spezifische technische Erkenntnisse und Beiträge:

1. Disproportionale Übertragungsraten: Experimentelle Daten bestätigten, dass Wärme- und Stoffübertragungsraten nicht gleich sind ($N_{Le} \neq 1$). Die Studie zeigte, dass sowohl der Wärme- als auch der Stofftransportkoeffizient direkt proportional zur frontalen Luftgeschwindigkeit und der spezifischen Oberfläche des Pad-Moduls sind, jedoch invers proportional zur Dicke des Pad-Moduls.
2. Neue dimensionslose Zahl ($N_{Sb}$): Um die Abweichung von der Einheit im Lewis-Faktor zu erklären, führte der Autor eine neue thermische fluiddynamische dimensionslose Zahl ein, die Shaaban-Zahl ($N_{Sb}$), definiert als das Verhältnis der Nusselt-Zahl zur Sherwood-Zahl ($N_{Sb} = Nu/Sh$). Diese Zahl setzt die konvektiven Wärme- und Stofftransportraten zu ihren jeweiligen konduktiven (diffusionsbedingten) Gegenstücken in Beziehung.
3. Empirische Korrelationen: Die Studie leitete exakte mathematische Ausdrücke für die Wärme- ($h_{ch}$) und Stofftransportkoeffizienten ($k_{cdm}$) als Funktionen der frontalen Luftgeschwindigkeit ($V_{ma}$) ab, wobei die Beziehung $Koeffizient \propto V_{ma}^{0,8}$ gilt.
4. Design-Gleichungen: Eine universelle Beziehung zwischen der Kühleffizienz ($\varepsilon$) und der Anzahl der Stoffaustausch-Einheiten (Number of Transfer Units, NTU) wurde etabliert. Die Arbeit stellt sowohl logarithmische als auch 6. Ordnung Polynomgleichungen bereit, um die Effizienz basierend auf der NTU vorherzusagen, was eine zuverlässigere Basis für die Dimensionierung von DEC-Einheiten bietet als bisherige Methoden.
5. Parametersensitivität:
   • Pad-Dicke: Eine Erhöhung der Dicke verbessert die Effizienz, wobei die Gewinne über 0,4 m hinaus unpraktisch werden.
   • Luftgeschwindigkeit: Niedrigere frontale Luftgeschwindigkeiten führen zu höheren Kühlleistungen und größeren Temperaturabsenkungen.
   • Temperaturen: Höhere Einlauftrocken- und Kaltlufttemperaturen führen im Allgemeinen zu höheren Transportkoeffizienten, wenngleich der Effekt auf die Gesamteffizienz mit der Geschwindigkeit variiert.

Bedeutung und Ansprüche
Die Arbeit beansprucht, eine „verlässliche Ingenieursmethodik“ für die Konstruktion von direkten Verdunstungskühlern bereitzustellen. Durch die Abkehr von der Annahme, dass der Lewis-Faktor gleich eins ist, bieten die vorgeschlagenen Korrelationen und die Einführung der Shaaban-Zahl ($N_{Sb}$) eine genauere Darstellung der physikalischen Prozesse an der Luft-Wasser-Grenzfläche.

Der Autor behauptet, dass die Nutzung dieser abgeleiteten Gleichungen eine präzise Dimensionierung von DEC-Einheiten ermöglicht, wobei sowohl die volumetrischen Luftdurchflussraten als auch die spezifische Oberfläche des Mediums berücksichtigt werden. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Implementierung dieser optimierten Designs in großtechnischen Anwendungen, wie etwa einer „grünen DEC-Farm“ mit einer Kapazität von 1075 RT, den Energieverbrauch und die CO2-Emissionen (geschätzt 22.800 Tonnen jährlich aus Kohlekraftwerken und 9.500 aus Erdgaskraftwerken) signifikant reduzieren kann, was zur Milderung der globalen Erwärmung beiträgt. Die Arbeit betont, dass die entwickelten Korrelationen experimentell verifiziert wurden und eine solide Grundlage für das Prozessingenieurwesen in der Verdunstungskühlung bilden.