Dimensionamento de Serpentinas Evaporadoras para Sistemas de Refrigeração

O dimensionamento correto de serpentinas evaporadoras é fundamental para o desempenho eficiente de sistemas de refrigeração e ar condicionado. Este guia cobre os aspectos práticos do dimensionamento de evaporadores de expansão direta (DX).

Fundamentos do Evaporador DX

Processo de Evaporação

No evaporador DX, o refrigerante entra como mistura líquido-vapor e evapora ao absorver calor do ar:

Zona bifásica: O refrigerante evapora progressivamente (qualidade x: 0,2 → 1,0)

Zona de superaquecimento: Vapor superaquecido (tipicamente 5-10°C acima da saturação)

Parâmetros Críticos

Temperatura de evaporação (T_evap): Determina a pressão de operação

Superaquecimento: Garante que apenas vapor chegue ao compressor

Qualidade de entrada (x_in): Tipicamente 0,15-0,25 após a válvula de expansão

Vazão mássica de refrigerante (ṁ_ref): Determinada pela capacidade requerida

Correlações de Transferência de Calor

Lado do Refrigerante - Correlação de Chen (1966)

A correlação de Chen é o padrão da indústria para ebulição em fluxo:

h_tp = h_mac + h_mic

Onde:

h_mac = F · h_l (contribuição convectiva macroscópica)

h_mic = S · h_nb (contribuição de ebulição nucleada)

F = fator de intensificação (Enhancement Factor)

S = fator de supressão (Suppression Factor)

Lado do Ar - Correlação de Wang

Para serpentinas de tubos aletados, a correlação de Wang fornece:

Fator j de Colburn para transferência de calor

Fator f de atrito para perda de carga

Válida para aletas planas, onduladas e louvered

Análise de Serpentina Úmida

Quando a temperatura da superfície da serpentina está abaixo do ponto de orvalho do ar, ocorre condensação:

Método do Potencial Entálpico (Threlkeld)

Usa a diferença de entalpia ao invés de diferença de temperatura

Mais preciso para serpentinas com desumidificação

Calcula separadamente a carga sensível e latente

Razão de Calor Sensível (SHR)

SHR = Q_sensível / Q_total

SHR = 1,0: Serpentina seca (apenas resfriamento sensível)

SHR < 1,0: Serpentina úmida (resfriamento + desumidificação)

SHR típico para conforto: 0,70 - 0,85

Seleção de Refrigerante

R-410A

Padrão atual para ar condicionado residencial e comercial

Alta pressão de operação

Bom coeficiente de transferência de calor

GWP alto (2088) - sendo substituído

R-32

Substituto do R-410A (menor GWP: 675)

Maior capacidade volumétrica

Levemente inflamável (A2L)

R-134a

Padrão para chillers e refrigeração comercial

Baixa pressão de operação

GWP moderado (1430)

R-290 (Propano)

Refrigerante natural (GWP: 3)

Excelentes propriedades termodinâmicas

Altamente inflamável (A3) - limita a carga

Otimização de Circuitos

Número de Circuitos

Mais circuitos = menor perda de carga do refrigerante

Menos circuitos = melhor distribuição de refrigerante

Equilíbrio: 4-16 circuitos para serpentinas típicas

Distribuição de Refrigerante

Distribuidores são essenciais para múltiplos circuitos

Comprimentos iguais de circuito para distribuição uniforme

Evitar armadilhas de óleo no circuito

Conclusão

O dimensionamento preciso de serpentinas evaporadoras requer a consideração simultânea da transferência de calor bifásica, da análise de serpentina úmida/seca, e da otimização hidráulica. Ferramentas como o ExCoil automatizam esses cálculos complexos usando correlações validadas pela indústria.