Evaporadores na Refrigeração

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4. Evaporadores na refrigeração
Pode ser considerado evaporador, qualquer superfície de transferência de calor na qual o líquido volátil é vaporizado com o objetivo de remoção de calor de um espaço ou produto refrigerado. É fabricado em diversas formas, tipos, tamanhos, projetos, e podem ser classificados por uma variedade de modos, como tipo de construção, método de alimentação dos líquidos, condição de operação, entre outros.
4.1 Tipos Construtivos de Evaporadores
Os principais tipos de evaporadores para refrigeração são: de tubo liso, placas e de tubos aletados.
4.1.1 Evaporador de tubo liso
Geralmente são construídos com tubos de aço, cobre ou alumínio Os tubos de aço são usados em evaporadores de maiores dimensões ou de qualquer tamanho, em casos de utilização de amônia como refrigerante, tanto em aplicação industrial quanto comercial. Os tubos de cobre e alumínio são utilizados em evaporadores menores, os quais se encontram em unidades residenciais e comerciais que não empregam amônia como refrigerante.
Imagem 1 – Serpentina de tubos lisos.
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Fonte: http://pipeworks.es/pt-pt/produtos
 4.1.2 Evaporadores de placa
Esse tipo de evaporador tem várias formas de construção. A mais comum é a de duas placas soldadas de forma que, entre elas, fiquem sulcos por onde passará o fluido refrigerador, é o mais utilizado em refrigeradores domésticos. O outro tipo, que é bastante comum, é feito com duas placas planas e paralelas justapostas a tubos simples, o espaço vazio será evacuado ou cheio de uma solução eutética para permitir um bom contato térmico.
Imagem 2 – Evaporadores de superfície de placa.
Fonte: http://tecno2aulavirtual.blogspot.com/2013/03/
4.1.3 Evaporadores de tubos aletados
São evaporadores de tubos que atravessam aletas, as quais devem ficar ligadas rigidamente aos tubos, por operarem como superfícies secundárias e transmitirem o calor para os tubos e refrigerante. O uso de aletas é vinculado ao aumento de área de troca térmica, o que permite a utilização de evaporadores de menores dimensões. O tamanho das aletas e o espaçamento entre elas irão ser definidas dependendo da aplicação do evaporador e o tamanho dos tubos define o tamanho das aletas.
Imagem 3 – Evaporador de tubo aletado.
Fonte: http://www.refrigeracao.net/Topicos/evaporador_3.htm
4.2 Evaporadores de Convecção Natural ou Forçada
No tipo convecção natural, o fluido que está sendo resfriado escoa devido às diferenças de massa específica ocasionadas pelas diferenças de temperatura entre as correntes fria e quente. Os evaporadores de convecção natural são utilizados quando se deseja atingir baixas velocidades de ar e mínima desidratação do produto, como em refrigeradores domésticos. 
No tipo convecção forçada, um ventilador ou bomba é utilizado para circular o fluido que está sendo resfriado, fazendo-o escoar sobre a superfície de troca térmica que é resfriada pela vaporização do refrigerante. Os evaporadores de convecção forçada são usados quando não há problema de desidratação de produtos.
4.3 Métodos de alimentação do evaporador
Os evaporadores podem ser classificados de acordo com o método de alimentação do líquido, como expansão seca ou inundado. No evaporador de expansão direta, ou seca, o fluido refrigerante, na quantidade exata, inicia a sua vaporização logo na válvula de expansão e, na saída do evaporador, o refrigerante deverá ser encontrado todo na forma de vapor. Em geral, o controle da alimentação se dá pelo superaquecimento do vapor na saída do evaporador.
O evaporador inundado é aquele que é projetado para conter um nível constante de refrigerante líquido dentro do seu interior. O vapor formado no evaporador é succionado pela ação do compressor, a alimentação se dá desde um tanque separador onde o nível do líquido é mantido constante através da ação de uma válvula tipo bóia e a circulação do refrigerante ocorre por convecção natural.
4.4 Capacidade de um evaporador
É a quantidade de calor que o evaporador deve absorver do espaço refrigerado, em um determinado intervalo de tempo. O calor que passa através do evaporador com destino ao refrigerante, o faz por condução. Este calor pode ser obtido por:
onde Q é a capacidade do evaporador (kJ/h), U é o coeficiente global de transferência de calor, (kJ/hm2°C), A é a área de superfície do evaporador (tubos e aletas) (m2) e LMTD diferença de temperatura média logarítmica entre o refrigerante dentro do evaporador e o meio externo, °C.
A diferença de temperatura média logarítmica, LMTD é dada por:
onde Te é a temperatura do ar que entra na serpentina (°C), Ts é a temperatura do ar que deixa a serpentina (°C) e Tr é a temperatura do refrigerante nos tubos, (°C).
O coeficiente global de transmissão de calor em um evaporador resfriado a ar com o refrigerante circulando dentro dos tubos pode ser calculado por:
onde Uo é o coeficiente global de transferência de calor baseado na superfície externa e a LMTD (kJ/hm2°C), Ao/Ai é a relação entre a área da superfície externa e interna do tubo, Hw é o coeficiente de filme interno lado do refrigerante (W/m2°C), t é a espessura da parede do tubo (m), k é a condutibilidade térmica do material do tubo (W/m°C), Ao/Am é a relação de área entre a superfície externa e a superfície circunferencial média da parede de metal do tubo, Hr é o coeficiente de filme externo lado do ar (W/m2°C) e , eficiência da aleta (100% para tubos não aletados).
4.5 Exemplo ilustrativo
Qual deve ser o valor do coeficiente global de transferência de calor, U, em um evaporador em que o coeficiente de transferência de calor no lado do ar é igual a 60 W/m2 e o coeficiente correspondente no lado do refrigerante é igual a 1200 W/m2°C. O tubo apresenta diâmetro interior e exterior de 20,9 mm e 26,7 mm, respectivamente. O material do tubo é aço, cuja condutividade térmica é de 45 W/m°C.
Resposta:
Utiliza-se a equação do coeficiente global de transferência de calor, desprezando as resistências térmicas pelas incrustações nos lados externo e interno. Então:
como
então 
substituindo na expressão anterior:
Resulta em
 W/m2°C
Referencias
<http://www.professor.unisinos.br/mhmac/Refrigeracao/CAP9_REF_2017.pdf>. Acesso em: 27/06/2018
<https://docs.ufpr.br/~rudmar/refri/material/8_EVAPORADORES.pdf>. Acesso em: 27/06/2018