IMPROVING AIR-CONDITIONING SYSTEMS NUMERICALLY BY USING DIRECT EVAPORATIVE COOLING IN SEVERELY HOT WEATHER

Abstract

ABSTRACT

Direct evaporative cooling (DEC) systems use water evaporation to cool air through a moist pad or filter. These systems are known for their low energy consumption. This study aims to improve the operation of DEC systems in extremely hot conditions. The goal is to develop cost-effective and environmentally friendly cooling solutions while reducing energy use, ensuring the systems are correctly constructed and sized for the specific building and climatic conditions.

It employs ANSYS software, a robust computational fluid dynamics (CFD) technique, and EES software for simulation. The simulation process will be divided into two phases, the first of which is represented by the presence of injectors, which have been divided into three sections to see the softness in the process of chilling the air entering from outside, which is represented by three distinct speeds. The number of turns of the second section, represented by a tube coming from the condenser in the heat exchanger, will be altered to see the improvement in receiving the cooling gas. Thus, the total number of instances employed is 27 cases added to the two sections, representing 54 cases, followed by the application of these cases with the EES software to determine the value of improvement in the COP. The number of twists in the cooling tubes and the number of nozzles were purposely adjusted to investigate how they affected system efficiency. The system's structure is made up of a coil and tube type heat exchanger with a changeable length and number of turns. The second part of the simulation process is represented by the air entry area and the water spraying process with variable number of nozzles, where 5, 9, and 13 turns of the cooling tube were used, and this represents the second part of the simulation process to know the thermal effect on the heat exchange process between the fluids, while the first part is represented by the air entry area and the water spraying process with variable number of nozzles, where 15, 24, and 35 nozzles were used. The duct's measurements were 20 cm in width, 10 cm in height, and 25 cm in total length. On the duct width, the roll diameter was 60 mm.

The results reveal that system geometry, specifically the air entrance region and the water spraying procedure, has a considerable influence on thermal dynamics and fluid flow within a heat exchanger. The number of coils turns and nozzles can have a significant impact on system performance, as illustrated by the distinct temperature and velocity curves. Furthermore, to handle complicated geometrical configurations and deliver significant insights, the study made full use of ANSYS' powerful simulation capabilities. At an inlet velocity of 2.0, the design with 35 injectors and 13 coil turns scored the maximum COP of 4.537, suggesting that it is the best configuration for the given system. It reaches a maximum temperature of 55.27 degrees Celsius. At a velocity of 1 m/s, the coil turns in the temperature chart reach a peak, whereas the COP chart has the lowest values at the same velocity. Also, the highest COP for the system is 4.537, which occurs at 35 injectors and 13 coil turns. The study's findings could open the way for further improvement of such systems, perhaps increasing their efficiency. The study highlights the significance of computational tools in understanding and improving complicated thermal systems such as heat.

ÖZET

Doğrudan buharlaştırmalı soğutma (DEC) sistemleri, nemli bir ped veya filtre aracılığıyla havayı soğutmak için suyun buharlaşmasını kullanır. Bu sistemler düşük enerji tüketimleriyle bilinirler. Bu çalışma, DEC sistemlerinin aşırı sıcak koşullarda çalışmasını iyileştirmeyi amaçlamaktadır. Amaç, enerji kullanımını azaltırken uygun maliyetli ve çevre dostu soğutma çözümleri geliştirmek, sistemlerin belirli bina ve iklim koşulları için doğru şekilde inşa edilmesini ve boyutlandırılmasını sağlamaktır. Simülasyon için güçlü bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) tekniği olan ANSYS yazılımını ve EES yazılımını kullanmaktadır. Simülasyon süreci iki aşamaya ayrılacaktır; bunlardan ilki, üç farklı hız ile temsil edilen dışarıdan giren havanın soğutulması sürecindeki yumuşaklığı görmek için üç bölüme ayrılmış olan enjektörlerin varlığı ile temsil edilmektedir. Isı eşanjöründeki kondenserden gelen bir tüp ile temsil edilen ikinci bölümün dönüş sayısı, soğutma gazının alınmasındaki iyileşmeyi görmek için değiştirilecektir. Böylece, kullanılan toplam örnek sayısı iki bölüme eklenen 27 örnektir ve 54 örneği temsil eder, ardından COP'deki iyileşme değerini belirlemek için bu örnekler EES yazılımı ile uygulanır. Soğutma tüplerindeki büküm sayısı ve nozul sayısı, sistem verimliliğini nasıl etkilediklerini araştırmak için bilinçli olarak ayarlanmıştır. Sistemin yapısı, uzunluğu ve dönüş sayısı değiştirilebilen bobin ve tüp tipi bir ısı eşanjöründen oluşmaktadır. Simülasyon sürecinin ikinci kısmı, hava giriş alanı ve değişken sayıda nozul ile su püskürtme işlemi ile temsil edilmektedir; burada soğutma tüpünün 5, 9 ve 13 dönüşü kullanılmıştır ve bu, akışkanlar arasındaki ısı değişim süreci üzerindeki termal etkiyi bilmek için simülasyon sürecinin ikinci kısmını temsil ederken, birinci kısım hava giriş alanı ve değişken sayıda nozul ile su püskürtme işlemi ile temsil edilmektedir; burada 15, 24 ve 35 nozul kullanılmıştır. Kanalın ölçüleri 20 cm genişlik, 10 cm yükseklik ve 25 cm toplam uzunluktur. Kanal genişliğinde rulo çapı 60 mm idi.

Sonuçlar, sistem geometrisinin, özellikle hava giriş bölgesi ve su püskürtme prosedürünün, bir ısı eşanjörü içindeki termal dinamikler ve akışkan akışı üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu ortaya koymaktadır. Bobin dönüşlerinin ve nozulların sayısı, farklı sıcaklık ve hız eğrilerinde gösterildiği gibi sistem performansı üzerinde önemli bir etkiye sahip olabilir. Ayrıca, karmaşık geometrik konfigürasyonları ele almak ve önemli bilgiler sunmak için çalışmada ANSYS'nin güçlü simülasyon yeteneklerinden tam olarak yararlanılmıştır. Giriş hızı 2,0 olan 35 enjektörlü ve 13 bobin dönüşlü tasarım, 4,537'lik maksimum COP değerine ulaşarak söz konusu sistem için en iyi konfigürasyon olduğunu göstermiştir. Maksimum 55,27 santigrat derece sıcaklığa ulaşır. Sıcaklık grafiğindeki bobin dönüşleri 1 m/s hızda zirveye ulaşırken, COP grafiği aynı hızda en düşük değerlere sahiptir. Ayrıca, sistem için en yüksek COP değeri 4,537 olup 35 enjektör ve 13 bobin dönüşünde gerçekleşmektedir. Çalışmanın bulguları, bu tür sistemlerin daha da iyileştirilmesinin önünü açabilir ve belki de verimliliklerini artırabilir. Çalışma, ısı gibi karmaşık termal sistemlerin anlaşılmasında ve iyileştirilmesinde hesaplama araçlarının önemini vurgulamaktadır.