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

Resumen Técnico: Determinación Experimental de Ingeniería de Procesos de los Coeficientes de Transferencia de Calor y Masa en Medios Evaporativos de PVC Termoconformado

Planteamiento del Problema
El enfriamiento evaporativo directo (DEC, por sus siglas en inglés) es una tecnología ampliamente aceptada debido a su eficiencia energética y al uso de agua como fluido de trabajo. Sin embargo, el diseño de ingeniería de los sistemas DEC se ve obstaculizado por varias brechas críticas identificadas en la literatura existente. Un problema principal es la creencia generalizada de que las tasas de transferencia de calor y masa en el enfriamiento evaporativo proceden a tasas iguales, lo que implica un factor de Lewis ($N_{Le}$) de la unidad. Estudios previos han mostrado discrepancias significativas entre esta suposición y los resultados experimentales, con factores de Lewis que varían entre 0.6 y 1.3 dependiendo de la humedad y las condiciones de flujo. Además, existe una falta de correlaciones exactas y confiables para evaluar los coeficientes de transferencia de calor y masa específicamente para medios de PVC termoconformados, así como una escasez de ecuaciones matemáticas simplificadas pero precisas que relacionen estos coeficientes con la velocidad lineal del aire. Este artículo aborda la necesidad de cerrar estas brechas mediante la determinación experimental de estos coeficientes y el desarrollo de una metodología de diseño dependiente.

Metodología
El estudio empleó una configuración experimental que consistía en una unidad de enfriador evaporativo directo equipada con cuatro ventiladores de succión y dos secciones de prueba capaces de alojar bloques de hasta 40 cm de espesor de medio evaporativo de PVC termoconformado. Se utilizaron tres tipos de medios de relleno de película (Onda 12, 19 y 27) con áreas superficiales específicas de 248, 152 y 120 $m^2/m^3$ respectivamente.

La campaña experimental cubrió un amplio rango de parámetros operativos:

• Caudales Volumétricos de Aire: 4,000 a 16,000 $Nm^3/h$ (correspondientes a velocidades de aire frontales de 0.79–3.16 $kg/m^2\cdot s$).
• Tasas de Rociado de Agua: 2.39–9.58 $kg/m^2\cdot s$.
• Condiciones Térmicas: Temperaturas de bulbo seco de entrada que oscilaron entre 35 °C y 43 °C y temperaturas de bulbo húmedo de 17 °C a 25.5 °C.

Las mediciones se realizaron utilizando termopares tipo E para temperaturas de bulbo seco y húmedo, un anemómetro de hilo caliente para la velocidad del aire y un termohigrómetro para la humedad. Los datos se registraron automáticamente cada minuto. Los datos experimentales se analizaron mediante modelado matemático basado en ecuaciones simultáneas de balance de calor y masa. El estudio utilizó regresión estadística para correlacionar los datos experimentales con modelos teóricos, examinando específicamente la relación entre los números de Nusselt ($Nu$) y Sherwood ($Sh$).

Contribuciones Claves y Resultados
La investigación produjo varios hallazgos técnicos y contribuciones específicas:

1. Tasas de Transferencia Desproporcionadas: Los datos experimentales confirmaron que las tasas de transferencia de calor y masa no son iguales ($N_{Le} \neq 1$). El estudio demostró que tanto el coeficiente de transferencia de calor como el de masa son directamente proporcionales a la velocidad del aire frontal y al área superficial específica del módulo del panel, e inversamente proporcionales al espesor del módulo del panel.
2. Nuevo Número Adimensional ($N_{Sb}$): Para explicar la desviación de la unidad en el factor de Lewis, el autor introdujo un nuevo número adimensional de dinámica de fluidos térmicos, el número de Shaaban ($N_{Sb}$), definido como la relación entre el número de Nusselt y el número de Sherwood ($N_{Sb} = Nu/Sh$). Este número relaciona las tasas de transferencia de calor y masa por convección con sus contrapartes conductivas (difusionales).
3. Correlaciones Empíricas: El estudio derivó expresiones matemáticas exactas para los coeficientes de transferencia de calor ($h_{ch}$) y de masa ($k_{cdm}$) como funciones de la velocidad frontal del aire ($V_{ma}$), siguiendo la relación $Coeficiente \propto V_{ma}^{0.8}$.
4. Ecuaciones de Diseño: Se estableció una relación universal entre la eficiencia del enfriador ($\varepsilon$) y el Número de Unidades de Transferencia (NTU). El artículo proporciona tanto ecuaciones logarítmicas como polinomios de sexto orden para predecir la eficiencia basada en el NTU, ofreciendo una base más confiable para el dimensionamiento de unidades DEC que los métodos anteriores.
5. Sensibilidad de los Parámetros:
   • Espesor del Panel: El aumento del espesor mejora la eficiencia, aunque las ganancias se vuelven poco prácticas más allá de 0.4 m.
   • Velocidad del Aire: Velocidades de aire frontales más bajas resultan en mayores eficiencias de enfriamiento y mayores caídas de temperatura.
   • Temperaturas: Temperaturas de bulbo seco y húmedo de entrada más altas generalmente conducen a coeficientes de transferencia más altos, aunque el efecto sobre la eficiencia general varía con la velocidad.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma proporcionar una "metodología de ingeniería dependiente" para el diseño de enfriadores evaporativos directos. Al alejarse de la suposición de que el factor de Lewis es igual a la unidad, las correlaciones propuestas y la introducción del número de Shaaban ($N_{Sb}$) ofrecen una representación más precisa de los procesos físicos que ocurren en la interfaz aire-agua.

El autor sostiene que la utilización de estas ecuaciones derivadas permite el dimensionamiento preciso de las unidades DEC, considerando tanto los caudales volumétricos de aire como el área superficial específica del medio. El estudio concluye que la implementación de estos diseños optimizados en aplicaciones a gran escala, como una "granja DEC verde" con una capacidad de 1075 Rt, puede reducir significativamente el consumo de energía y las emisiones de CO2 (estimadas en 22,800 toneladas métricas anuales de plantas de carbón y 9,500 de plantas de gas natural), contribuyendo así a la mitigación del calentamiento global. El trabajo enfatiza que las correlaciones desarrolladas están verificadas experimentalmente y proporcionan una base sólida para la ingeniería de procesos en el enfriamiento evaporativo.