Caracterización experimental y modelización del binomio sistema de distribución-separador de gotas en torres de refrigeración

Abstract

[SPA] Las emisiones de gotas ocasionadas por el principio de funcionamiento de torres de refrigeración son indeseables por diferentes motivos, pero principalmente porque suponer un deterioro de la salud humana( por ejemplo por contagio por legionella). Pese a su mayor eficiencia energética, derivada del menor nivel de presión introducido en el condensador prohibiendo el empleo de este tipo de sistemas al ser catalogados como fuentes potenciales de contaminación. El nivel de emisiones del dispositivo así como su eficiencia energética, dependen en mayor medida de las condiciones de operación del sistema y de los elementos constructivos del mismo (binomio sistema de distribución-separador de gotas y relleno). La presente Tesis Doctoral muestra un estudio detallado de la influencia del binomio sistema de distribución-separador de gotas así como de las condiciones de operación en el comportamiento térmico y en las emisiones de torres de refrigeración con objeto de optimizar el funcionamiento de la misma. Asimismo se estudia la dispersión de las emisiones para evaluar el impacto de la instalación. La metodología de trabajo ha sido principalmente experimental, donde los resultados relativos a la influencia de estos elementos sobre el comportamiento térmico, las emisiones y la dispersión de las mismas ha sido determinada en la instalación experimental de torre de refrigeración dispuesta para tal efecto. Se ha empleado una torre meteorológica para la determinación de las variables atmosféricas. Se ha llevado a cabo un modelo numérico para obtener un mayor conocimiento del campo fluido en el interior de los componentes de la torre, cuyos resultados se han comparado con los obtenidos experimentalmente en el túnel de medida de presión experimental (construido ex profeso para ello). El estudio del comportamiento térmico de la torre en función del binomio y de las condiciones de operación ha dejado como resultados significativos que la eficiencia de la torre puede verse modificada en un 20% de media cambiando el sistema de distribución para los separadores ensayados. Se han propuesto correlaciones adimensionales para cada geometría ensayada valiadas con datos experimentales con 1% de diferencia y se han valorado las implicaciones energéticas. El impacto energética que puede ocasionar el cambio del elementos-condiciones de operación para un sistema se ha evaluado a través de la temperatura de salida del agua, la cual puede ser de hasta 1ºC inferior de media. El estudio del binomio y las condiciones de funcionamiento sobre el nivel de emisiones de la torre se ha realizado en método del papel hidrosensible. La mayor contribución realizada a la metodología es el desarrollo de una aplicación informática con un clasificador automático que permite determinar si los cambios de tonalidad detectados en el papel tienen su origen en una gota o no. Se ha determinado la cantidad y forma de las gotas a la salida para un amplio rango de casos y condiciones de operación. La combinación de mínimo arrastre, 0,00009%, se ha obtenido para la combinación separador de gotas de estructura de panal de abeja y sistema de distribución por gravedad. Se han comparado los resultados con las normativas internacionales vigentes observando una posible revisión de las mismas debido a las bajos niveles de emisión alcanzados por las tecnologías actuales de componentes, muy por debajo de los valores establecidos en las normativas. Un resultado relevante es la determinación de las curvas experimentales de eficiencia captura de los separadores ensayados. El estudio de emisiones se ha completado con la determinación de la dispersión de las mismas en entornos urbanos mediante la técnica del papel hidrosensible para ocho experimentos. Se ha analizado la influencia de las condiciones ambientales en la deposición obteniendo tendencias decrecientes con la velocidad de viento y la distancia con respecto a la torre. Se ha observado que la zona de ensayo tiene influencia sobre los resultados (hasta un 70% en función del nivel de velocidad de viento). Para completar el trabajo experimental se ha generado un modelo numérico para los separadores de gotas de tipología de lamas ensayados, comparado con datos experimentales propios y validados a través de resultados bibliográficos. Se ha determinado la influencia de cerrar el conjunto de ecuaciones que gobiernan el problema con modelos RANS y LES. La discretización de las ecuaciones con este último no supone una mejora sustancial en la precisión de los resultados obtenidos con respecto a los modelos RANS. Sin embargo sí se ha encontrado la necesidad de modelar la capa líquida de agua formada en el separador. Mediante el análisis de esta información se ha obtenido un amplio conocimiento de la influencia del binomio sistema de distribución-separador de gotas en el comportamiento de una torre de refrigeración. La metodología aplicada permitirá mejorar los futuros diseños de estos componentes así como optimizar las condiciones de operación, siempre teniendo en cuenta que se debe alcanzar un compromiso entre el impacto energético (comportamiento térmico, pérdida de presión) y las emisiones (arrastre, PM10) de la torre de refrigeración.

[ENG] Cooling tower emissions are harmful for several reasons, but mainly due to human health hazards (i.e. Legionella outbreaks). Despite the higher performance of this kind of devices, because of the lower condensating pressure level originated by water-cooled systems, many local governments are limiting or banning these systems as they have been listed as potential sources of contamination. The cooling tower level of emissions as well as its thermal performance depend mostly on the operating conditions and its elements (the couple of elements water distribution system and drift eliminator, also known as binomial, and the fill). The present Doctoral Thesis presents a detailed study on the influence of the binomial water distribution system-drift eliminator and the operating conditions on cooling tower thermal performance and emissions. The dispersion of the emissions is also studied. A broad experimental study has been undertaken. Experiments related to thermal performance, emissions and dispersion in an urban areas have been carried out in the cooling tower experimental facility. A weather mast has been used to characterize ambient conditions. To achieve a higher knowledge of the flow inside the tower, a numerical model of the drift eliminators has been developed. Numerical results have been compared to those observed in the experiments carried out in the experimental drop-pressure tunnel. Cooling tower thermal behavior as a function of the binomial and the operating conditions has led to differences about 20% between distribution systems for the eliminators tested. Dimensionless correlations for all the tested geometries have been proposed. These correlations have been validated through experimental results with about 1% differences. The energy consumption of the system has been evaluated through the calculation of the outlet water temperature, which can be 1ºC lower on average depending on the distribution system. The influence of the binomial and the operating conditions on cooling tower emission has been carried out using the sensitive paper method. One of the most relevant contributions to the methodology is the developed automatic classifier which allows to discern between the stains coming from real drops. The number and shape of exiting droplets have been calculated for each combination tested. The lowest level of emissions, 0, 00009%, has been observed for the combination honeycomb-type drift eliminator and the gravity distribution system. Results are discussed according to international standars. According to the limits, a review of these standars is proposed because today technologies can guarantee lower drift rates. The experimental collection efficiency for the tested eliminators has found to be an important result. Cooling tower emission study is completed with the experimental determination of the downwind deposition. The sensitive paper method is also used for experimentally investigating drift deposition in urban areas for eight tests. The influence of ambient conditions on cooling tower drift deposition has been investigated. Decreasing patterns of deposition have been found when increasing the distance from the tower and the wind velocity. The test zone also affects the results (70% differences depending on the wind velocity). To complete experimental results, a numerical model for the lath-type eliminators has been developed. This model has been compared to the experimental results derived in this document and those available in the literature (numerical). It is has been investigated the difference between closing the systems of fundamental equations using RANS and LES approaches. The LES model does not improve results comparing them with the results obtained with RANS models. However, the need of modeling the water film formed in the eliminators has been highlighted. The accomplishment of this information provides a deep knowledge on the influence of the binomial water distributions system-eliminator and the operating conditions on cooling tower performance. This methodology provides with the necessary knowledge to improve future designs and to ensure better operating conditions, always reaching a compromise between the energy consumption (thermal behavior, pressure losses) and emissions (drift and PM10).