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

Sintesi Tecnica: Determinazione Sperimentale dei Coefficienti di Trasferimento di Calore e Massa in Media Evaporativi in PVC Termoformato tramite Ingegneria di Processo

Definizione del Problema
Il raffrescamento evaporativo diretto (DEC) è una tecnologia ampiamente accettata grazie alla sua efficienza energetica e all'uso dell'acqua come fluido di lavoro. Tuttavia, la progettazione ingegneristica dei sistemi DEC è ostacolata da diverse lacune critiche identificate nella letteratura esistente. Un problema primario è la diffusa assunzione che i tassi di trasferimento di calore e di massa nel raffrescamento evaporativo procedano a velocità uguali, implicando un fattore di Lewis ($N_{Le}$) unitario. Studi precedenti hanno dimostrato discrepanze significative tra questa assunzione e i risultati sperimentali, con i fattori di Lewis che variano tra 0,6 e 1,3 a seconda dell'umidità e delle condizioni di flusso. Inoltre, vi è una mancanza di correlazioni affidabili ed esatte per valutare i coefficienti di trasferimento di calore e di massa specificamente per i media in PVC termoformato, nonché una scarsità di equazioni matematiche semplificate ma precise che relazionino tali coefficienti alla velocità lineare dell'aria. Questo articolo affronta la necessità di colmare queste lacune determinando sperimentalmente questi coefficienti e sviluppando una metodologia di progettazione affidabile.

Metodologia
Lo studio ha impiegato un apparato sperimentale costituito da un'unità di raffrescamento evaporativo diretto dotata di quattro ventilatori di aspirazione e due sezioni di prova in grado di ospitare blocchi di media evaporativi in PVC termoformato spessi fino a 40 cm. Sono stati utilizzati tre tipi di media a film (Onda 12, 19 e 27) con aree superficiali specifiche rispettivamente di 248, 152 e 120 $m^2/m^3$.

La campagna sperimentale ha coperto un ampio intervallo di parametri operativi:

• Portate Volumetriche d'Aria: da 4.000 a 16.000 $Nm^3/h$ (corrispondenti a velocità frontali dell'aria di 0,79–3,16 $kg/m^2\cdot s$).
• Tassi di Irrigazione dell'Acqua: 2,39–9,58 $kg/m^2\cdot s$.
• Condizioni Termiche: temperature di bulbo asciutto in ingresso compresi tra 35°C e 43°C e temperature di bulbo umido tra 17°C e 25,5°C.

Le misurazioni sono state condotte utilizzando termocoppie di tipo E per le temperature di bulbo ascicco e umido, un anemometro a filo caldo per la velocità dell'aria e un termoigrometro per l'umidità. I dati sono stati registrati automaticamente ogni minuto. I dati sperimentali sono stati analizzati mediante modellazione matematica basata su equazioni simultanee di bilancio di calore e di massa. Lo studio ha utilizzato la regressione statistica per correlare i dati sperimentali con i modelli teorici, esaminando specificamente la relazione tra i numeri di Nusselt ($Nu$) e di Sherwood ($Sh$).

Contributi Chiave e Risultati
La ricerca ha prodotto diversi risultati tecnici specifici e contributi:

1. Tassi di Trasferimento Disproporzionati: I dati sperimentali hanno confermato che i tassi di trasferimento di calore e di massa non sono uguali ($N_{Le} \neq 1$). Lo studio ha dimostrato che sia il coefficiente di trasferimento di calore che quello di massa sono direttamente proporzionali alla velocità frontale dell'aria e all'area superficiale specifica del modulo del pad, ma inversamente proporzionali allo spessore del modulo del pad.
2. Nuovo Numero Adimensionale ($N_{Sb}$): Per spiegare la deviazione dall'unità nel fattore di Lewis, l'autore ha introdotto un nuovo numero adimensionale di fluidodinamica termica, il numero di Shaaban ($N_{Sb}$), definito come il rapporto tra il numero di Nusselt e il numero di Sherwood ($N_{Sb} = Nu/Sh$). Questo numero mette in relazione i tassi di trasferimento convettivo di calore e di massa con i loro rispettivi controparti conduttivi (diffusionali).
3. Correlazioni Empiriche: Lo studio ha derivato espressioni matematiche esatte per i coefficienti di trasferimento di calore ($h_{ch}$) e di massa ($k_{cdm}$) in funzione della velocità frontale dell'aria ($V_{ma}$), seguendo la relazione $Coefficiente \propto V_{ma}^{0,8}$.
4. Equazioni di Progettazione: È stata stabilita una relazione universale tra l'efficienza del raffrescatore ($\varepsilon$) e il Numero di Unità di Trasferimento (NTU). L'articolo fornisce sia equazioni logaritmiche che polinomiali di 6° ordine per prevedere l'efficienza in base all'NTU, offrendo una base più affidabile per il dimensionamento delle unità DEC rispetto ai metodi precedenti.
5. Sensibilità dei Parametri:
   • Spessore del Pad: L'aumento dello spessore migliora l'efficienza, sebbene i guadagni diventino impraticabili oltre lo 0,4 m.
   • Velocità dell'Aria: Velocità frontali dell'aria inferiori risultano in efficienze di raffrescamento più elevate e maggiori abbattimenti di temperatura.
   • Temperature: Temperature di bulbo ascicco e umido in ingresso più elevate portano generalmente a coefficienti di trasferimento più elevati, sebbene l'effetto sull'efficienza complessiva vari con la velocità.

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo sostiene di fornire una "metodologia ingegneristica affidabile" per la progettazione di raffrescatori evaporativi diretti. Allontanandosi dall'assunzione che il fattore di Lewis sia uguale all'unità, le correlazioni proposte e l'introduzione del numero di Shaaban ($N_{Sb}$) offrono una rappresentazione più accurata dei processi fisici che avvengono all'interfaccia aria-acqua.

L'autore afferma che l'utilizzo di queste equazioni derivate consente il dimensionamento preciso delle unità DEC, considerando sia le portate volumetriche d'aria che l'area superficiale specifica del media. Lo studio conclude che l'implementazione di questi design ottimizzati in applicazioni su larga scala, come una "green DEC-farm" con una capacità di 1075 Rt, può ridurre significativamente il consumo di energia e le emissioni di CO2 (stimate in 22.800 tonnellate metriche annue dalle centrali a carbone e 9.500 dalle centrali a gas naturale), contribuendo così alla mitigazione del riscaldamento globale. Il lavoro sottolinea che le correlazioni sviluppate sono verificate sperimentalmente e forniscono una solida base per l'ingegneria di processo nel raffrescamento evaporativo.