DEVELOPMENT OF MATHEMATICAL MODEL FOR SPRAY ZONE DYNAMICS IN EVAPORATIVE COOLING TOWERS

DEVELOPMENT OF MATHEMATICAL MODEL FOR SPRAY ZONE DYNAMICS IN EVAPORATIVE COOLING TOWERS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
Final MS_Thesis_g202216140.pdf
Restricted to Repository staff only until 16 June 2026.

Download (5MB)

Arabic Abstract

تلعب أبراج التبريد التبخيري دو ًرا محوريًا في أنظمة التخلص من الحرارة الصناعية، حيث تمثل منطقة الرش المرحلة االبتدائية للتبادل الحراري والكتلي بين قطرات الماء والهواء المحيط. تعتمد النماذج التقليدية، مثل نموذج "هاالس"، على افتراضات الحالة المستقرة والسلوك المنتظم للقطرات، مما يؤدي إلى دقة محدودة، خاصة في .الظروف الديناميكية التي تشمل تدرجات حرارية مرتفعة أو درجات حرارة تقاربية ضيقة تقدم هذه الدراسة نموذ ًجا رياضيًا جديدًا قائ ًما على المبادئ األولى لمنطقة الرش والتعبئة، يعتمد على معادالت تفاضلية عادية غير بعدية ومقترنة، تصف تباطؤ القطرات، واالقتران الحراري والبخاري، وتأثيرات التبريد المسبق .غير المتزن يعمل النموذج المقترح على تمثيل تشبع الهواء األولي وآليات تبريد القطرات قبل دخولها إلى منطقة التعبئة، مما يعزز من الدقة الفيزيائية واالستقرار العددي. وعبر عملية تحقق منهجية باستخدام نموذج عددي عالي الدقة )نموذج ."بوب"(، أظهر النموذج الجديد تحسنًا كبي ًرا في األداء ضمن نطاق واسع من الشروط التشغيلية ، قلص النموذج المقترح )نموذج 6.62%وبالمقارنة مع نموذج "هاالس" الذي بلغ متوسط نسبة الخطأ المطلق فيه ، �𝑋� في حساب عدد وحدات النقل 7.05% فقط، مع تسجيل أقصى نسبة خطأ بلغت 2.05% ( هذا الخطأ إلى .حتى في ظروف الحمل العالي تبرز هذه التحسينات بشكل خاص في الحاالت التي ترتفع فيها نسب تدفق الكتلة بين الهواء والماء، وهي ظروف .يعاني فيها نموذج "هاالس" من تدهور كبير في األداء ويؤكد النموذج الجديد بفضل دقته النفسية–الحرارية العالية أهمية التبريد المسبق في تمثيل عمليات التبخير بشكل دقيق. وبفضل توافقه مع الديناميكيات الحقيقية لمنطقة الرش وكفاءته العددية، فإن هذا النموذج مؤهل بشكل ممتاز للدمج ضمن منصات التوأم الرقمي، مما يدعم المراقبة الفورية، والتحكم التكيفي، وتحسين األداء على مستوى النظام .في مجاالت متعددة مثل البتروكيماويات، وتكييف الهواء، وتحلية المياه الحرارية

English Abstract

Evaporative cooling towers play a pivotal role in industrial heat rejection systems, with the spray zone initiating crucial heat and mass exchange between water droplets and ambient air. Conventional models, such as the Halasz formulation, typically neglect the thermodynamic transitions occurring in the spray zone and assume uniform, steady-state droplet behavior. This simplification limits their accuracy, particularly under dynamic conditions involving high thermal gradients or narrow approach temperatures. This study presents a first principles-based, zero-dimensional spray-fill model that incorporates transient droplet deceleration, convective-vapor coupling, and non-equilibrium pre-cooling effects via a system of coupled, non-dimensional ordinary differential equations. The resulting formulation captures the initial air saturation and droplet cooling mechanisms preceding the fill section, enhancing both physical accuracy and numerical stability. Through systematic validation against a high-fidelity numerical benchmark, the proposed model demonstrates substantial performance gains across a broad operating range. Compared to the Halasz model, which produced a mean absolute error of 6.62%, the proposed formulation reduced this to just 2.05%, with a maximum error of only -7.05% in the number of transfer units 𝑋𝑜, even under high-load conditions. These improvements are particularly pronounced in scenarios with elevated air-to-water mass flow ratios, where Halasz’s predictions degrade significantly. The enhanced psychrometric fidelity of the new model affirms the critical role of pre-cooling in accurately representing evaporative processes. By reflecting real spray zone dynamics and maintaining computational efficiency, the proposed model is well suited for integration into digital twin platforms, enabling real-time monitoring, adaptive control, and system-level optimization across petrochemical, HVAC, and thermal desalination applications.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Mechanical
Department: College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor: Qureshi, Bilal
Committee Members: Ali, Hafiz and alquaity, Awad
Depositing User: ABDINASIR ABDIRAHMAN (g202216140)
Date Deposited: 16 Jun 2025 10:48
Last Modified: 16 Jun 2025 10:48
URI: http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143538