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

Resumen

Resumen de la tesis: 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. http://repositorio.bib.upct.es/dspace/