Estudio de la dispersión y el alcance de gotas de agua procedentes de torres de refrigeración en entornos urbanos mediante simulación numérica

Abstract

[SPA] Las torres de refrigeración son uno de los sistemas más eficientes para disipar el calor de las centrales eléctricas, de los sistemas de refrigeración que emplean agua como fluido caloportador y del aire acondicionado en edificios y procesos industriales. Por lo tanto, el comportamiento de estos dispositivos todavía merece la atención de investigadores e ingenieros. Estos sistemas son dispositivos de transferencia de calor por evaporación en los que el aire atmosférico enfría el agua caliente, con contacto directo entre el agua y el aire, evaporando parte del agua. Indirectamente, la sustitución de las torres de refrigeración por aparatos menos eficientes contribuye a aumentar el consumo de energía y, por lo tanto, al cambio climático. En esta Tesis Doctoral se presenta un modelo numérico CFD para simular la dispersión del arrastre emitido por torres de refrigeración mecánicas localizadas en áreas urbanas. Las ecuaciones promediadas de Navier-Stokes para el movimiento de aire son discretizadas a través de un método de volúmenes finitos, con el modelo k- para simular el flujo turbulento. Se emplea un conjunto apropiado de condiciones de contorno, con el fin de evitar el problema de no homogeneidad en la Capa Límite Atmosférica (ABL). Se utiliza un modelo euleriano-lagrangiano para simular el movimiento del aire-gotas de agua, teniendo en cuenta los efectos de la evaporación. Los resultados se validan con datos experimentales de la deposición de gotas emitidas por una torre de refrigeración piloto, obtenidos mediante una técnica basada en papeles hidrosensibles. Los datos meteorológicos locales se miden a través de diferentes equipos, principalmente una torre meteorológica instalada en las cercanías de la torre de refrigeración. Para mejorar los resultados del método, se realiza una simulación segmentada. Cada caso experimental se subdivide en tres casos, en relación con la dirección del viento. Haciendo esto, es posible reproducir mejor las fluctuaciones de la dirección del viento obtenidas durante la medición experimental. El resultado de la simulación segmentada es una mejor correspondencia entre datos numéricos y experimentales cuando se miden altas fluctuaciones de la dirección del viento. Se obtiene la influencia de variables tales como la temperatura de bulbo seco, la humedad ambiental y la temperatura de salida de las gotas desde la torre de refrigeración sobre la deposición de gotas de agua y sobre el tamaño del área afectada para torres de refrigeración de tiro mecánico. La deposición de gotas de agua disminuye a medida que aumenta el proceso de evaporación (aumento de la temperatura del bulbo seco, disminución de la humedad). Además, la temperatura de bulbo húmedo de las gotas tiene una influencia directa en la evaporación de éstas, ya que la evaporación es mayor cuando este parámetro aumenta. El procedimiento numérico ha demostrado ser útil para caracterizar la dispersión y el alcance de las gotas de agua de torres de refrigeración mecánicas en entornos complejos. Finalmente, el estudio se extiende a un nuevo entorno urbano para reproducir el brote explosivo de legionelosis en la ciudad de Murcia en 2001. Se comparan los resultados de la caracterización de la dispersión y el alcance de las gotas de la torre de refrigeración causante del brote con los resultados de la investigación epidemiológica realizada por el Servicio de Epidemiología para encontrar el foco de la infección. Los resultados de la modelización del brote muestran que los patrones de dispersión de las gotas están de acuerdo con un brote explosivo, ya que la mayor parte del arrastre emitido por la torre de refrigeración alcanza áreas peatonales y la distribución de tamaño de estas gotas es lo suficientemente grande para contener las bacterias. Además, se podría haber reducido el estudio caso-control desarrollado para encontrar la fuente del brote, teniendo en cuenta sólo uno de los métodos de análisis de las áreas de exposición. Como se muestra aquí, esta modelización es útil para predecir el área de influencia de una torre de refrigeración, lo que ayudará a reducir el impacto ambiental y personal en caso de una eventual infección de su agua, o mejorar los recursos utilizados para encontrar el foco de infección después de que se haya producido un brote.

[ENG] Cooling towers are one of the most efficient systems for dissipating heat from power plants, water-cooled refrigeration, and air conditioning in buildings and industrial processes. Therefore, the behavior of these devices still deserves the attention of researchers and engineers. These systems are evaporative heat transfer devices in which atmospheric air cools warm water, with direct contact between the water and the air, by evaporating part of the water. Indirectly, the replacement of cooling towers by less efficient apparatus contributes to increasing energy consumption and thus to climate change. In this Doctoral Thesis a CFD numerical modeling for simulating the drift emitted by mechanical cooling towers located in built-up urban areas is presented. The averaged Navier-Stokes equations for the air motion are discretized through a finite volume method, with the k-_ model to simulate the turbulent flow. An appropriate set of boundary conditions is employed, in order to avoid the nonhomogeneity problem in the Atmospheric Boundary Layer (ABL). An Eulerian-Lagrangian model is used to simulate the air-water droplet motion, taking into account the effects of evaporation. The results are validated with experimental data of the deposition of droplets emitted by a pilot cooling tower, obtained through a technique based on water sensitive papers. Local meteorological data are measured through different equipment, mainly a meteorological tower adjacent to the cooling tower. To improve the results of the method, a segmented simulation is carried out. Each experimental case is subdivided into three cases, regarding wind direction. By doing this, it is possible to reproduce in a better way the wind direction fluctuations obtained during the experimental measurement. The result of the segmented simulation is a better correspondence between numerical and experimental data when high fluctuations of wind direction are measured. The influence of variables such as the ambient dry bulb temperature, the ambient specific humidity and the droplet exit temperature from cooling tower on the water droplet deposition and on the size of the affected area for mechanical cooling towers is obtained. Water droplet deposition decreases as evaporative processes increases (increasing dry bulb temperature, decreasing humidity). In addition, droplet wet bulb temperature has a direct influence in the evaporation of droplets, as evaporation is bigger when this parameter increases. The numerical procedure has proved useful for characterizing the dispersion and reach of water droplets from mechanical cooling towers in complex environments. Finally, the study is extended to a new urban environment in order to reproduce the explosive outbreak of legionellosis in the city of Murcia in 2001. The results of the characterization of the dispersion and reach of droplets from the cooling tower causative of the outbreak are compared with the results of the epidemiological investigation carried out by the Epidemiology Service to find the focus of the infection. The results of the modelization of the outbreak show that droplet dispersion patterns are in agreement with an explosive outbreak, as most of the drift emitted by the cooling tower reaches pedestrian areas and the size distribution of those droplets is big enough to contain the bacteria. In addition, the case-control study developed to find the source of the outbreak could have been reduced, taking into account only one of the methods of analysis of the exposition areas. As shown here, this modelization is useful to predict a cooling tower influence area, what will help to reduce environmental and personal impact in case of an eventual infection of its water, or, to improve the resources used to find the focus of infection after an outbreak has taken place.