Improvimg the energy efficiency in hvac systems through evaporative cooling

[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. El marco legislativo a nivel nacional y europeo tiene entre sus objetivos mejorar la eficiencia energética de los equipos de climatización. De ahí la necesidad de estudiar alternativas que disminuyan el consumo energético en comparación con los sistemas existentes. En este sentido, los equipos que se aprovechan de las ventajas del enfriamiento evaporativo representan una de las soluciones más eficaces. En esta Tesis se plantea estudiar dos enfoques para lograr este objetivo. El primero consiste en emplear torres de refrigeración, las cuales se basan en este principio, pero tienen el problema de tener asociado un gran impacto ambiente como consecuencia de las gotas que se emiten durante su operación. La otra forma es preenfriando el aire de entrada del condensador de equipos de climatización convencionales (aquellos que emplean bomba de calor), usando para ello atomizadores ultrasónicos, una técnica sin referencias en la bibliografía. En esta Tesis se ha abordado la caracterización experimental del rendimiento térmico y el nivel de emisiones de un nuevo prototipo torre de refrigeración que ha sido diseñado y patentado para evitar la emisión de partículas en suspensión a la atmósfera, y reducir el impacto ambiental y de salud generalmente relacionado con este tipo de equipos de enfriamiento evaporativo. Los experimentos se realizaron en una planta piloto construida con este propósito. En la evaluación de impacto ambiental (nivel de emisiones) se utilizó el método del papel sensible. La comparación entre los resultados obtenidos y los encontrados en la literatura para torres de refrigeración similares indica que el rendimiento de la torre de refrigeración invertida en términos de emisiones es notable, con una cantidad de agua arrastrada de 1,47 ⋅ 10−6 kg/s (0,00015% del agua circulante). Este valor es hasta 13 veces inferior a los límites impuestos por varias normativas internacionales y supone una reducción en términos de emisiones entre el 40,21% y el 82,54%, con respecto a torres comerciales. En lo relativo al tamaño de las gotas que escapan de la torre, los resultados también fueron prometedores, siendo el diámetro máximo de 50 μm, y el diámetro medio de Sauter del conjunto de gotas de 31,42 μm. En lo que respecta a la evaluación del rendimiento térmico, la torre estudiada se clasifica como una torre de refrigeración mecánica de flujo en contracorriente y flujo paralelo. Por este motivo, se ha discutido la influencia de la teoría de análisis (Merkel y Poppe) y la disposición del flujo entre las corrientes de agua y aire (contracorriente, paralelo y contracorriente/paralelo) en el rendimiento de la torre para unas condiciones de operación determinadas. La principal novedad está enel uso de la teoría de Poppe combinando dos disposiciones de flujo diferentes (paralelo y contracorriente), además de, la adaptación de la teoría de Poppe para flujo paralelo, que es un enfoque que no se encuentra comúnmente descrito en la literatura. De este análisis se concluye que el método más apropiado para evaluar el rendimiento térmico de este novedoso prototipo es aquel que utiliza la teoría de Poppe y combina disposición contracorriente y flujo paralelo para evaluar el rendimiento térmico. No sólo proporciona las mejores predicciones para las temperaturas del aire y del agua de salida (0,44°C de diferencia para la predicción del agua y 0,74°C de diferencia para el aire), sino que es una buena aproximación de la compleja física subyacente del problema. El estudio del comportamiento térmico se ha completado estudiando dos aspectos fundamentales en el diseño de una torre de refrigeración: la longitud de relleno y la disposición de los rociadores (posición y características hidráulicas). El objetivo fue la optimización experimental en términos de rendimiento térmico de este nuevo prototipo de torre de refrigeración invertida. Los resultados indican que rociar desde una posición superior (sólo flujo paralelo) presenta unos resultados un 24% mejores que rociar desde una posición intermedia (flujo mixto y paralelo) y un 37% mejor que desde una posición inferior (igual al intermedio, pero con mayor distancia al ventilador). Esto se debe a que se instalaron mejores rociadores en la posición superior. Sin embargo, a la vista de los resultados, los rociadores elegidos deberían ser los instalados en el nivel superior, aunque posiblemente instalados en los otros niveles obtendrán mejores resultados. La combinación de una mayor resistencia hidráulica de los rociadores y una mayor superficie de intercambio (posición inferior) podría dar como resultado la mejor configuración. En cuanto al relleno, se ha observado que influye de forma similar en el funcionamiento de todas las posiciones de rociado, ya que, en casi todas ellas, todo el enfriamiento se realiza en disposición de flujo paralelo, es decir, el tramo en el que se encuentra el relleno. Se observó que el rendimiento para la longitud de relleno de 1,6 m es un 25,5% mejor que para las otras dos longitudes probadas. La principal conclusión respecto a esto es que instalar una gran cantidad de relleno mejora claramente el rendimiento de la torre, pero instalar una pequeña cantidad no siempre es comparable a no instalar nada, debido a la pérdida de carga que añade. Para todos los resultados también se comprobó que la correlación de Ashrae junto con el método Poppe predicen con éxito el rendimiento térmico de la torre de refrigeración, siendo la diferencia promedio entre los resultados experimentales y predichos de 0,37°C para la temperatura de salida del agua. Además, también es capaz de predecir las condiciones de salida del aire con una diferencia promedio de 4,93% (1,35°C). En cuanto al uso de atomizadores ultrasónicos para preenfriamiento del aire, los trabajos anteriores del grupo de investigación se centraron en el uso de un generador de niebla ultrasónico, con el que se obtuvieron resultados prometedores, pero con limitaciones, como la incapacidad de controlar la distribución de gotas y su alto consumo eléctrico. Para solucionar esto, se ha propuesto la utilización de atomizadores ultrasónicos que son capaces de superar estas limitaciones. Para ello se ha desarrollado un modelo numérico de este innovador sistema y validado con datos experimentales obtenidos en un túnel de viento. Con los datos obtenidos se ha realizado un análisis paramétrico, considerando las variables clave en el proceso de enfriamiento: gasto másico de agua inyectada, distancia necesaria para la evaporación completa de las gotas, área enfriada y consumo de energía de los atomizadores. Los resultados relativos a la distancia necesaria para que se produzca la evaporación completa de las gotas y evitar que estas lleguen al condensador son prometedores, ya que esto sucede solo sucede para relación de flujo másico de agua-aire superiores a 1,7 · 10-3 con humedades relativas del 50% y 1,2 10 · 10-3 para 70%. Con el generador de niebla ultrasónico esto no sucedía para ningún rango de trabajo. También se realizó un análisis de optimización, que reveló que los rangos operación óptimos en términos de rendimiento global son relaciones de flujo másico agua y aire inferiores a 1,8 10-3 para humedades de 50% e inferiores a 8,1 · 10-4 para 70%. Dentro de estas condiciones, el agua pulverizada se distribuye de manera más uniforme en toda la sección de salida, lo que facilita un proceso de enfriamiento por evaporación más homogéneo y eficiente. El coeficiente de rendimiento global máximo logrado en todas las simulaciones fue 30,49. Este valor es cuatro veces superior al de equipos estudiados con anterioridad, por lo que, este novedoso sistema supera las limitaciones de los anteriores y su rendimiento. [ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. The national and European legislative framework has, among its objectives, the improvement of energy efficiency of air conditioning equipment. Hence, the need to explore alternative air conditioning systems aimed at reducing energy consumption compared to existing systems. In this regard, systems capitalizing on the benefits of evaporative cooling represent one of the most effective solutions. This thesis aims to investigate two approaches to achieve this goal. The first involves the use of cooling towers, which are based on this principle but have the drawback of causing significant environmental impact due to the water droplets emitted during the process. The other method involves precooling the incoming air of conventional air conditioning equipment using ultrasonic atomisers, a technique that lacks references in the literature. This thesis addresses the experimental characterization of the thermal performance and emission levels of a novel cooling tower prototype that has been designed and patented to prevent the reléase of suspended particles into the atmosphere. The aim is to reduce the environmental and health impact typically associated with such evaporative cooling systems. The experiments were conducted in a pilot plant built ad hoc for this purpose. In the environmental impact assessment (drift emissions), the sensitive paper method was used. A comparison between the obtained results and those found in the literature for similar cooling towers indicates that performance of the inverted cooling tower in terms of emissions is remarkable, with a drift rate of 1.47 ⋅ 10−6 kg/s (0.00015% of circulating water). This value is up to 13 times lower than the limits imposed by several international standards and involves a reduction in terms of emissions ranging from 40.21% to 82.54% compared to commercial towers. Regarding the size of the droplets escaping from the tower, the results were also promising, with a maximum diameter of 50 μm and a Sauter Mean Diameter of the ensemble of droplets of 31.42 μm. Concerning thermal performance evaluation, the studied tower is classified as a mechanical forced draft, counterflow-parallel flow cooling tower. For this reason, the influence of the analysis method (Merkel and Poppe) and the arrangement of flow between the water and air streams (counterflow, parallel flow, and counterflow/parallel flow) on the tower's performance under specific operating conditions has been discussed. The main novelty lies in the use of the Poppe model combining two different flow arrangements: parallel flow and counterflow. Additionally, the adaptation of the Poppe model for parallel flow, which is an approach not commonly found in the literature. From this analysis, it is concluded that the most appropriate method for assessing the thermal performance of this innovative prototype is one that uses the Poppe theory and combines counterflow and parallel flow arrangements to evaluate thermal performance. This approach not only it provides the best predictions for the outlet water and air temperatures (0.44°C difference for the water prediction and 0.74°C difference for the air) but it is a good approximation of the complex underlying physics of the problem. The study of thermal performance has been completed by investigating two key aspects in the design of a cooling tower: the fill length and the nozzle arrangement (position and hydraulic characteristics). The objective was the experimental optimization in terms of thermal performance of this new prototype of inverted cooling tower. The results indicate that spraying from an upper position (only parallel flow) presents results 24% better than spraying from an intermediate position (mixed and parallel flow) and 37% better than spraying from a lower position (equal to the intermediate but with greater distance to the fan). This is because better nozzles were installed in the upper position. However, based on the results, the chosen nozzles should be those installed at the upper position, although possibly, those installed at the other positions would present better results. This is because the combination of higher hydraulic resistance of the sprayers and a larger surface area of Exchange (lower position) could result in the best configuration. Regarding the fill, it was observed that it similarly influences the operation of all spraying positions since, in almost all of them, all cooling is done in a parallel flow arrangement, i.e., the section where the fill is located. It was observed that the performance for a fill length of 1.6 m is 25.5% better than for the other two lengths tested. The main conclusion regarding this is that installing a large amount of fill clearly improves the tower's performance, but installing a small amount is not always comparable to not installing anything, due to the added pressure loss. For all results, it was also confirmed that the Ashrae correlation along with the Poppe method successfully predicts the thermal performance of the cooling tower, with an average difference between experimental and predicted results of 0.37°C for water outlet temperature. Moreover, it is also capable of predicting air outlet conditions with an average difference of 4.93% (1.35°C). Regarding the use of ultrasonic atomisers for air pre-cooling, previous work of the research group focused on an ultrasonic mist generator, which obtained promising results but had limitations such as the inability to control droplet distribution and its high electrical consumption. To address this, the use of ultrasonic atomisers capable of overcoming these limitations is proposed. A numerical model of this innovative system has been developed and validated using experimental data obtained in a wind tunnel. A parametric analysis was conducted with the obtained data, considering key variables in the cooling process: injected water mass flow rate, required distance for complete droplet evaporation, cooled area, and atomiser power consumption. The results regarding the required distance for complete droplet evaporation to prevent them from reaching the condenser are promising, as this only occurs for water-to-air mass flow ratios greater than 1.7 10-3 with humidities of 0.5 and 1.2 10-3 for 0.7. With the ultrasonic mist generator, this did not occur for any working range. An optimization analysis was also performed, revealing that the optimal operating ranges for overall performance are water-to-air mass flow ratios below 1.8 10-3 for a relative humidity of 0.5 and below 8.1 · 10-4 for 0.7. Within these conditions, water spray is more evenly distributed throughout the control section, facilitating a homogeneous and efficient evaporative cooling process. The maximum evaporative coefficient of performance achieved across all simulations was 30.49. This value is four times higher than that of previously studied equipment, demonstrating that this innovative system surpasses the limitations of the previous systems and enhances its performance.Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Está formada por un total de cuatro artículos. Artículo 1.-: J. Ruiz, P. Navarro, M. Hernández, M. Lucas, A.S. Kaiser, 2022. Thermal performance and emissions analysis of a new cooling tower prototype. Applied Thermal Engineering. Volume 206. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.118065. Artículo 2.-: P. Navarro, J. Ruiz, M. Hernández, A.S. Kaiser, M. Lucas, 2022. Critical evaluation of the thermal performance analysis of a new cooling tower prototype. Applied Thermal Engineering. Volume 213. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.118719. Artículo 3.-: P. Navarro, J. Ruiz, A.S. Kaiser, M. Lucas, 2023. Effect of fill length and distribution system on the thermal performance of an inverted cooling tower. Applied Thermal Engineering. Volume 231. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.120876. Artículo 4.-: P. Navarro, J. Ruiz, A.S. Kaiser, M. Lucas, 2023. Numerical study of an ultrasonic spray atomiser as an evaporative cooler. Applied Thermal Engineering. Volume 236. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.121455Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad Politécnica de CartagenaUniversidad Politécnica de CartagenaPrograma Doctorado en Tecnologías Industriale