Projeto de Serpentinas de Tubos Aletados: Otimizando a Transferência de Calor Lado Ar

As serpentinas de tubos aletados são os trocadores de calor mais comuns em sistemas HVAC&R. Este guia cobre os princípios de projeto e técnicas de otimização para máximo desempenho.

Por Que Aletas?

A transferência de calor do lado do ar é tipicamente o fator limitante em trocadores de calor ar-fluido. As aletas aumentam a área de superfície efetiva, melhorando dramaticamente o desempenho:

Relação de área típica: 10:1 a 30:1 (área aletada vs. área do tubo nu)

Melhoria de desempenho: 5x a 15x comparado com tubos nus

Compensação: Aumento da perda de carga do lado do ar

Tipos de Aletas

Aletas Planas (Lisas)

Design mais simples e econômico

Menor perda de carga

Menor coeficiente de transferência de calor

Adequadas para aplicações com baixa velocidade do ar

Aletas Onduladas (Wavy)

Caminho de fluxo ondulado aumenta a turbulência

15-30% melhor transferência de calor vs. aletas planas

Aumento moderado da perda de carga

Escolha mais comum para HVAC

Aletas Louvered

Persianas cortadas na superfície da aleta

30-50% melhor transferência de calor vs. aletas planas

Maior perda de carga

Usadas quando o espaço é limitado

Parâmetros Geométricos Críticos

Espaçamento entre Aletas (FPI - Fins Per Inch)

8-10 FPI: Aplicações de resfriamento com desumidificação

10-12 FPI: Resfriamento sensível padrão

12-14 FPI: Aquecimento e aplicações limpas

14+ FPI: Aplicações especiais (ar limpo, alta eficiência)

Passo Transversal (Pt) e Longitudinal (Pl)

Pt afeta o número de tubos por fileira

Pl afeta a profundidade da serpentina

Arranjo escalonado (staggered) é mais eficiente que alinhado (inline)

Diâmetro do Tubo

3/8" (9,52mm): Compacto, menor carga de refrigerante

1/2" (12,7mm): Padrão para a maioria das aplicações

5/8" (15,88mm): Maior capacidade, menor perda de carga do refrigerante

Materiais

Tubos

Cobre: Excelente condutividade (385 W/m·K), padrão da indústria

Alumínio: Menor custo, menor peso, boa condutividade (205 W/m·K)

Aço inoxidável: Resistência à corrosão, menor condutividade

Aletas

Alumínio: Padrão da indústria, boa condutividade, baixo custo

Cobre: Melhor condutividade, maior custo, usado em ambientes corrosivos

Alumínio com revestimento: Proteção contra corrosão para ambientes agressivos

Eficiência da Aleta

A eficiência da aleta (η_f) é crucial para o cálculo correto:

η_f = tanh(m·L) / (m·L)

Onde:

m = √(2·h / k_f·δ_f)

h = coeficiente de transferência de calor

k_f = condutividade térmica da aleta

δ_f = espessura da aleta

L = comprimento efetivo da aleta

A eficiência de superfície total é:
η_s = 1 - (A_f/A_t)(1 - η_f)

Correlações de Transferência de Calor

Correlação de Wang (2000)

A correlação mais utilizada para serpentinas de tubos aletados:

Aplicável para aletas planas, onduladas e louvered

Considera número de fileiras, espaçamento de aletas, diâmetro do tubo

Fornece fator j de Colburn e fator de atrito f

Fator j de Colburn

j = St · Pr^(2/3)

Onde St é o número de Stanton e Pr é o número de Prandtl.

Conclusão

O projeto eficiente de serpentinas de tubos aletados requer o equilíbrio entre transferência de calor, perda de carga e custo. A seleção adequada de geometria, materiais e tipo de aleta é essencial para otimizar o desempenho do sistema HVAC&R.