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

Technische Samenvatting: Procesmatige experimentele bepaling van warmte- en massaoverdrachtscoëfficiënten in thermogevormde PVC-verdampingsmedia

Probleemstelling
Directe verdampingskoeling (DEC) is een breed geaccepteerde technologie vanwege de energie-efficiëntie en het gebruik van water als werkmedium. De engineering van DEC-systemen wordt echter gehinderd door verschillende kritieke hiaten die in de bestaande literatuur zijn geïdentificeerd. Een primair probleem is de wijdverbreide aanname dat warmte- en massaoverdrachtssnelheden bij verdampingskoeling met gelijke snelheden verlopen, wat impliceert dat de Lewis-factor ($N_{Le}$) gelijk is aan één. Eerdere studies hebben aangetoond dat er significante discrepanties bestaan tussen deze aanname en experimentele resultaten, waarbij Lewis-factoren variëren tussen 0,6 en 1,3, afhankelijk van de vochtigheid en de stromingscondities. Bovendien is er een gebrek aan betrouwbare, exacte correlaties voor het beoordelen van warmte- en massaoverdrachtscoëfficiënten specifiek voor thermogevormde PVC-media, en is er een schaarste aan vereenvoudigde maar nauwkeurige wiskundige vergelijkingen die deze coëfficiënten relateren aan de lineaire luchtsnelheid. Dit artikel adresseert de noodzaak om deze hiaten te overbruggen door deze coëfficiënten experimenteel te bepalen en een betrouwbare ontwerpmethodologie te ontwikkelen.

Methodologie
De studie maakte gebruik van een experimentele opstelling bestaande uit een directe verdampingskoelunit uitgerust met vier zuigventilatoren en twee testsecties die blokken van thermogevormde PVC-verdampingsmedia tot 40 cm dik kunnen huisvesten. Drie typen filmvullingsmedia (Onda 12, 19 en 27) met specifieke oppervlaktes van respectievelijk 248, 152 en 120 $m^2/m^3$, werden gebruikt.

De experimentele campagne besloeg een breed scala aan operationele parameters:

• Luchtdebieten (volumetrisch): 4.000 tot 16.000 $Nm^3/h$ (overeenkomend met frontale luchtsnelheden van 0,79–3,16 $kg/m^2\cdot s$).
• Waterbesproeiingssnelheden: 2,39–9,58 $kg/m^2\cdot s$.
• Thermische condities: Inlaat droge boltemperatuur variërend van 35°C tot 43°C en natte boltemperatuur van 17°C tot 25,5°C.

Metingen werden uitgevoerd met E-type thermokoppels voor droge- en natte boltemperaturen, een hechtraad-anemometer voor luchtsnelheid, en een thermohygrometer voor luchtvochtigheid. De gegevens werden automatisch elke minuut geregistreerd. De experimentele gegevens werden geanalyseerd met behulp van wiskundige modellering op basis van simultane warmte- en massabalansvergelijkingen. De studie maakte gebruik van statistische regressie om de experimentele gegevens te correleren met theoretische modellen, waarbij specifiek de relatie tussen de Nusselt- ($Nu$) en Sherwood-getallen ($Sh$) werd onderzocht.

Belangrijkste bijdragen en resultaten
Het onderzoek leverde verschillende specifieke technische bevindingen en bijdragen op:

1. Disproportionele overdrachtssnelheden: Experimentele gegevens bevestigden dat warmte- en massaoverdrachtssnelheden niet gelijk zijn ($N_{Le} \neq 1$). De studie toonde aan dat zowel de warmte- als de massaoverdrachtscoëfficiënten direct evenredig zijn met de frontale luchtsnelheid en het specifiek oppervlak van het padmodule, en omgekeerd evenredig met de dikte van de padmodule.
2. Nieuw dimensieloos getal ($N_{Sb}$): Om de afwijking van de eenheid in de Lewis-factor te verklaren, introduceerde de auteur een nieuw thermisch fluïdumdynamisch dimensieloos getal, het Shaaban-getal ($N_{Sb}$), gedefinieerd als de ratio van het Nusselt-getal tot het Sherwood-getal ($N_{Sb} = Nu/Sh$). Dit getal relateert convectieve warmte- en massaoverdracht aan hun respectievelijke conductieve (diffusieve) tegenhangers.
3. Empirische correlaties: De studie leidde exacte wiskundige expressies af voor warmte- ($h_{ch}$) en massaoverdrachtscoëfficiënten ($k_{cdm}$) als functie van de frontale luchtsnelheid ($V_{ma}$), volgens de relatie $Coëfficiënt \propto V_{ma}^{0,8}$.
4. Ontwerpvergelijkingen: Er werd een universele relatie tussen koeler-efficiëntie ($\varepsilon$) en het aantal overdrachtseenheden (NTU) vastgesteld. Het artikel biedt zowel logaritmische als 6de-orde polynoomvergelijkingen om de efficiëntie te voorspellen op basis van NTU, wat een betrouwbaardere basis biedt voor het dimensioneren van DEC-units dan voorheen gebruikte methoden.
5. Parametersensitiviteit:
   • Pad-dikte: Het vergroten van de dikte verbetert de efficiëntie, hoewel de winst onpraktisch wordt boven 0,4 m.
   • Luchtsnelheid: Lagere frontale luchtsnelheden resulteren in hogere koelingsefficiënties en grotere temperatuurdalingen.
   • Temperaturen: Hogere inlaatdroge- en natte boltemperaturen leiden over het algemeen tot hogere overdrachtscoëfficiënten, hoewel het effect op de totale efficiëntie varieert met de snelheid.

Betekenis en claims
Het artikel claimt een "betrouwbare engineeringmethodologie" te bieden voor het ontwerp van directe verdampingskoelers. Door af te stappen van de aanname dat de Lewis-factor gelijk is aan één, bieden de voorgestelde correlaties en de introductie van het Shaaban-getal ($N_{Sb}$) een nauwkeurigere representatie van de fysieke processen die plaatsvinden aan het lucht-waterinterface.

De auteur stelt dat het gebruik van deze afgeleide vergelijkingen een nauwkeurige dimensionering van DEC-units mogelijk maakt, rekening houdend met zowel de volumetrische luchtstroom als het specifieke oppervlak van de media. De studie concludeert dat de implementatie van deze geoptimaliseerde ontwerpen in grootschalige toepassingen, zoals een "groene DEC-boerderij" met een capaciteit van 1075 Rt, het energieverbruik en de CO2-emissies (geschat op 22.800 metrike ton jaarlijks van kolencentrales en 9.500 van aardgascentrales) aanzienlijk kan verminderen, waarmee bijdraag wordt aan de mitigatie van de opwarming van de aarde. Het werk benadrukt dat de ontwikkelde correlaties experimenteel zijn geverifieerd en een solide fundament bieden voor procesengineering in verdampingskoeling.