Design de aletas do dissipador de calor e trocador de calor com aletas de fluxo paralelo

Princípios de projeto de aletas de dissipador de calor para aplicações de condensador

As aletas aumentam a área de superfície externa efetiva de tubos ou placas para aumentar a transferência de calor por convecção. Em condensadores (gás para líquido ou vapor para líquido), normalmente são usadas aletas no lado vapor/ar para reduzir o custo e a área ocupada pelo trocador e, ao mesmo tempo, obter a rejeição de calor necessária. As principais variáveis ​​de projeto são o tipo de aleta (lisa, persianas, onduladas, perfuradas), passo da aleta (aletas por metro ou aletas por polegada), altura da aleta, espessura da aleta e condutividade térmica do material.

Noções básicas de desempenho térmico

Use a relação geral de transferência de calor Q = você · A · ΔT . As aletas funcionam aumentando a área aparente A e alterando o coeficiente convectivo local h. Para uma superfície aletada a área efetiva é A_finned = η_f · A_geométrica, onde η_f é a eficiência da aleta. O projeto prático requer consideração simultânea de U, η_f e densidade de empacotamento para evitar queda excessiva de pressão.

Restrições mecânicas e de fluxo de ar

Um passo mais apertado das aletas aumenta a área, mas aumenta a queda de pressão no lado do ar e o risco de incrustações. Em serpentinas condensadoras com fluxo de ar paralelo (condensador de fluxo paralelo), a distribuição uniforme do fluxo em toda a face da serpentina é crítica; o fluxo irregular reduz a transferência de calor local e pode causar manchas secas localizadas ou congelamento. O projeto deve equilibrar a área, a potência do ventilador e a margem de incrustação.

Condensadores de fluxo paralelo com trocadores de calor de aletas — operação e layout

Os condensadores de fluxo paralelo direcionam o refrigerante (ou fluido de trabalho) através de vários tubos paralelos enquanto o ar ou vapor flui transversalmente pelas faces aletadas. Em comparação com projetos de contrafluxo, os condensadores de fluxo paralelo são mais simples de fabricar e podem atingir compactação, mas exigem distribuição cuidadosa do coletor e do tubo para manter as velocidades do refrigerante e o fluxo de calor uniformes.

Layout típico de bobina e cabeçalhos

Um bom design da plataforma (diâmetro adequado da plataforma, posicionamento adequado do bocal de entrada/saída e defletores internos) evita a má distribuição. Para fluxo paralelo: certifique-se de que cada fileira de tubos tenha resistência hidráulica semelhante; use orifícios ou restritores somente se necessário. Considere circuitos de tubos de múltiplas passagens ou de acoplamento cruzado quando os coletores paralelos de passagem única dariam diferenças excessivas de velocidade.

Considerações do lado do ar para fluxo paralelo

Em dispositivos onde o ar flui através de conjuntos de tubos aletados, mantenha a velocidade nominal dentro das faixas recomendadas (geralmente 1,5–3,5 m/s para condensadores resfriados a ar) para equilibrar a transferência de calor e o ruído. Para climas úmidos, o aumento do espaçamento das aletas reduz o entupimento causado por partículas e incrustações biológicas, mas reduz a área.

Seleção de geometria de aleta e compensações de desempenho

Escolha a geometria das aletas para atender às metas de desempenho: maximizar a transferência de calor por queda de pressão unitária, minimizar o custo e a massa e permitir a capacidade de fabricação com as ferramentas necessárias. Geometrias de aletas comuns para condensadores:

• Barbatanas lisas (retas) — simples, de baixo custo, boas para velocidades do ar baixas a moderadas.
• Aletas com venezianas – alta turbulência local aumenta h, usada onde o fluxo de calor é alto e alguma queda de pressão é aceitável.
• Barbatanas cortadas ou perfuradas — adicionam turbulência com penalidade de pressão moderada; frequentemente usado em condensadores automotivos.
• Barbatanas onduladas — realce intermediário e queda de pressão; pode ser mais fácil de limpar do que venezianas.

Compensações quantitativas

Ao comparar projetos, avalie: área específica (m²/m³), eficiência da aleta η_f e queda de pressão ΔP. Um projeto com área de superfície externa 20–50% maior (através de aletas), mas ΔP 2–3× maior ainda pode ser indesejável se a potência do ventilador e as restrições de ruído forem rigorosas. Use mapas de desempenho (h vs. Re e queda de pressão vs. Re) dos dados do fornecedor para escolher a geometria das aletas.

Exemplo prático de projeto e cálculo amostral

Exemplo de requisito: rejeitar Q = 10 kW de calor em um condensador com uma U global esperada ≈ 150 W·m⁻²·K⁻¹ e diferença média de temperatura ΔT ≈ 10 K. Área efetiva externa necessária A = Q / (U · ΔT). Usando esses números representativos resulta:

A_required = 10.000 W ÷ (150 W·m⁻²·K⁻¹ × 10 K) = 6,67 m² (área efetiva das aletas). Se uma geometria de aleta escolhida fornecer um fator de aprimoramento de aletas de cerca de 4 (ou seja, a área geométrica das aletas é 4× a área do tubo descoberto e a eficiência média da aleta está incluída nesse fator), a área do tubo descoberto/superfície necessária ≈ 1,67 m².

Como usar esses números

A partir da meta de área nua, derive as dimensões da bobina e o comprimento do tubo: área nua por metro de tubo = π · D_o · 1m (contribuições da área do colar da aleta se estiver usando aletas de tira). Divida a área descoberta necessária por área por metro de tubo para obter o comprimento total do tubo e, em seguida, organize os tubos em linhas e colunas para se ajustarem às restrições da face da bobina. Sempre adicione 10–25% de área extra para incrustações e margem de desempenho sazonal.

Considerações sobre fabricação, materiais e corrosão

Os materiais de aleta comuns são alumínio (leve, alta condutividade, econômico) e cobre (maior condutividade, maior custo). Para condensadores externos expostos a atmosferas corrosivas, considere aletas revestidas (revestimentos de polímero, epóxi ou hidrofílicos) ou aletas de aço inoxidável para ambientes altamente corrosivos. Técnicas de fabricação: perfilagem contínua para aletas planas e onduladas, estampagem para venezianas e brasagem ou ligação mecânica a tubos. Projetada para facilitar a limpeza (menos venezianas apertadas onde é esperada carga de partículas).

Melhores práticas, testes e manutenção

Siga estas etapas para garantir um desempenho confiável do condensador em campo:

• Teste de protótipo: construa um segmento de bobina representativo e meça h e ΔP em um túnel de vento ou bancada de teste antes de iniciar a produção total.
• Leve em conta a incrustação: especifique geometrias de aletas de fácil limpeza e forneça acesso de serviço para limpeza periódica da bobina.
• Inclui portas de instrumentação: sondas de temperatura e tomadas de pressão para validar a uniformidade da distribuição do refrigerante e do fluxo de ar.
• Otimize o passo das barbatanas para o clima local: passos mais estreitos para climas limpos e secos; mais amplo para condições empoeiradas e úmidas.

Tabela de comparação: tipos de barbatanas comuns e quando usá-las

Resumo e lista de verificação acionável

• Comece com a rejeição de calor necessária e calcule a área efetiva necessária usando Q = U·A·ΔT.
• Selecione a geometria das aletas para atingir um fator de melhoria alvo, mantendo a queda de pressão aceitável para o orçamento de potência do ventilador/ventilador.
• Projete coletores e circuitos para garantir distribuição uniforme de refrigerante em condensadores de fluxo paralelo.
• Protótipo e teste uma seção de bobina representativa para desempenho e suscetibilidade a incrustações antes da produção completa.
• Incluir margem de incrustação (10–25%) e facilidade de manutenção na especificação final.