A presente pesquisa trata do estudo teórico/experimental dos efeitos da geometria e dos parâmetros construtivos em trocadores de calor compactos do tipo serpentina para aplicações em refrigeração e ar condicionado no desempenho termo/hidráulico do ar. Para tanto, 15 serpentinas comerciais foram submetidas a testes em uma bancada experimental onde ambas as condições de entrada do ar e da água quente, utilizada como fluido dos tubos, podiam ser controladas e ajustadas. Serpentinas com aletas corrugadas (\"wavy\") e ventiladas convexas (\"convex louver\"), com distintas densidades de atletas, número de fileiras de tubos em profundidade, diâmetro e passo de tubos foram investigadas. Um programa de simulação de serpentinas foi desenvolvido para dar suporte ao tratamento de resultados. Os resultados experimentais obtidos confirmaram tendências da literatura acerca de efeitos da geometria da serpentina no desempenho termo/hidráulico do ar nas serpentinas. Algumas correlações da literatura se compararam bem aos resultados experimentais, embora algumas ilustraram importantes discrepâncias. Foram também investigadas distintas configurações geométricas segundo uma análise que envolve a segunda lei da Termodinâmica. Finalmente, os resultados experimentais, mediante regressão de dados, permitiram a elaboração de correlações gerais para os coeficientes de transferência de calor e de atrito do ar que incorporam os efeitos dos parâmetros geométricos das serpentinas. Tais correlações representaram bem os resultados experimentais com razoável acuracidade. / The research reported herein is about a theoretical and experimental study of the effects of geometric and constructive parameters of compact heat exchangers of the coil type for refrigeration and air conditioning applications over the air-side thermo-hydraulic performance. For that purpose, 15 commercial coils have been submitted to tests in an experimental set-up where both the inlet conditions of the air and those of the warm water, used as tube fluid, could be adequately controlled and adjusted. Wavy and convex louver fin coils with different fin density, number of tube rows, and tube spacing and diameter have been investigated. A computer simulation program of air coils has been developed as a working tool in the experimental results treatment and manipulation. The obtained experimental results follow closely established trends of the literature regarding the effects of the geometric parameters over the thermo-hydraulic performance of the air flow in the coils. Some correlations from the literature compare reasonably well with the experimental results though some have shown important discrepancies. It has also been investigated the performance of the different geometric configurations through a second law of Thermodynamics analysis. Finally, experimental results have been curve fitted in such a way to develop generalized correlations for the air-side heat transfer and friction coefficients that include all the important geometric parameters of the aircoils. Such correlations have proved to fit the experimental results with reasonable accuracy.

A presente pesquisa trata do estudo teórico/experimental dos efeitos da geometria e dos parâmetros construtivos em trocadores de calor compactos do tipo serpentina para aplicações em refrigeração e ar condicionado no desempenho termo/hidráulico do ar. Para tanto, 15 serpentinas comerciais foram submetidas a testes em uma bancada experimental onde ambas as condições de entrada do ar e da água quente, utilizada como fluido dos tubos, podiam ser controladas e ajustadas. Serpentinas com aletas corrugadas (\"wavy\") e ventiladas convexas (\"convex louver\"), com distintas densidades de atletas, número de fileiras de tubos em profundidade, diâmetro e passo de tubos foram investigadas. Um programa de simulação de serpentinas foi desenvolvido para dar suporte ao tratamento de resultados. Os resultados experimentais obtidos confirmaram tendências da literatura acerca de efeitos da geometria da serpentina no desempenho termo/hidráulico do ar nas serpentinas. Algumas correlações da literatura se compararam bem aos resultados experimentais, embora algumas ilustraram importantes discrepâncias. Foram também investigadas distintas configurações geométricas segundo uma análise que envolve a segunda lei da Termodinâmica. Finalmente, os resultados experimentais, mediante regressão de dados, permitiram a elaboração de correlações gerais para os coeficientes de transferência de calor e de atrito do ar que incorporam os efeitos dos parâmetros geométricos das serpentinas. Tais correlações representaram bem os resultados experimentais com razoável acuracidade. / The research reported herein is about a theoretical and experimental study of the effects of geometric and constructive parameters of compact heat exchangers of the coil type for refrigeration and air conditioning applications over the air-side thermo-hydraulic performance. For that purpose, 15 commercial coils have been submitted to tests in an experimental set-up where both the inlet conditions of the air and those of the warm water, used as tube fluid, could be adequately controlled and adjusted. Wavy and convex louver fin coils with different fin density, number of tube rows, and tube spacing and diameter have been investigated. A computer simulation program of air coils has been developed as a working tool in the experimental results treatment and manipulation. The obtained experimental results follow closely established trends of the literature regarding the effects of the geometric parameters over the thermo-hydraulic performance of the air flow in the coils. Some correlations from the literature compare reasonably well with the experimental results though some have shown important discrepancies. It has also been investigated the performance of the different geometric configurations through a second law of Thermodynamics analysis. Finally, experimental results have been curve fitted in such a way to develop generalized correlations for the air-side heat transfer and friction coefficients that include all the important geometric parameters of the aircoils. Such correlations have proved to fit the experimental results with reasonable accuracy.

O objetivo da presente pesquisa é analisar o desempenho termo-hidráulico do lado do ar de trocadores de calor tubo-aletados. Uma pesquisa da literatura foi executada em duas áreas diferentes: desempenho termo-hidráulico e seleção de superfície, feita por comparações de desempenho, para otimizar o projeto de trocadores de calor. O impulso principal da pesquisa esteve na avaliação experimental de dez serpentinas para investigar o efeito dos seguintes parâmetros sobre o desempenho do lado do ar: número de fileiras de tubos, densidade de aletas, superfície interna dos tubos e superfície da aleta (corrugada ou janelada). Os experimentos foram executados com água quente escoando internamente aos tubos em uma bancada de testes equipada com controladores que permitiram o controle exato e a medição das condições do ar e da água. As comparações com dados disponíveis na literatura para condições semelhantes revelaram que as tendências dos resultados presentes são coerentes e adequadas. Os resultados de transferência de calor e perda de carga da presente investigação não são adequadamente correlacionados por equações da literatura, sendo os desvios atribuíveis a diferenças na geometria das aletas. Finalmente, um procedimento de seleção de superfície para as aletas foi testado baseado em uma relação entre o índice de transferência de calor e a potência de bombeando. A superfície que obteve melhor desempenho entre as testadas foi a aleta janelada numa serpentina de quatro fileiras de tubos / The aim of the present research was to analyze the termo-hidraulic performance of the air side of plate-fin-and-tube heat exchangers. A literature survey has been carried out in two different areas: thermo-hidraulic performance and surface selection, done by performance comparisons, to optimize heat exchangers design. The main thrust of the research has been in the experimental evaluation of ten coils in order to investigate the effect of the following parameters over the air side performance: number of tube rows, fin density, tubes internal surface and surface fins (wavy or louvered). Experiments have been carried out with warm water as the tube fluid in a test bench with control capabilities which allowed the accurate control and measurement of air and water conditions. Comparisons with data available in the literature for similar conditions have revealed that the trends of the present results are consistent and adequate. Heat transfer and pressure drop results of the present investigation are not adequately correlated by equations from literature, deviations being attributable to differences in the geometry of the fins. Finally, a procedure for fin surface selection has been tested based on the ratio between the heat transfer rate and the pumping power. The best performing surface among the ones tested was the louver fin in a four tube row coil

O objetivo da presente pesquisa é analisar o desempenho termo-hidráulico do lado do ar de trocadores de calor tubo-aletados. Uma pesquisa da literatura foi executada em duas áreas diferentes: desempenho termo-hidráulico e seleção de superfície, feita por comparações de desempenho, para otimizar o projeto de trocadores de calor. O impulso principal da pesquisa esteve na avaliação experimental de dez serpentinas para investigar o efeito dos seguintes parâmetros sobre o desempenho do lado do ar: número de fileiras de tubos, densidade de aletas, superfície interna dos tubos e superfície da aleta (corrugada ou janelada). Os experimentos foram executados com água quente escoando internamente aos tubos em uma bancada de testes equipada com controladores que permitiram o controle exato e a medição das condições do ar e da água. As comparações com dados disponíveis na literatura para condições semelhantes revelaram que as tendências dos resultados presentes são coerentes e adequadas. Os resultados de transferência de calor e perda de carga da presente investigação não são adequadamente correlacionados por equações da literatura, sendo os desvios atribuíveis a diferenças na geometria das aletas. Finalmente, um procedimento de seleção de superfície para as aletas foi testado baseado em uma relação entre o índice de transferência de calor e a potência de bombeando. A superfície que obteve melhor desempenho entre as testadas foi a aleta janelada numa serpentina de quatro fileiras de tubos / The aim of the present research was to analyze the termo-hidraulic performance of the air side of plate-fin-and-tube heat exchangers. A literature survey has been carried out in two different areas: thermo-hidraulic performance and surface selection, done by performance comparisons, to optimize heat exchangers design. The main thrust of the research has been in the experimental evaluation of ten coils in order to investigate the effect of the following parameters over the air side performance: number of tube rows, fin density, tubes internal surface and surface fins (wavy or louvered). Experiments have been carried out with warm water as the tube fluid in a test bench with control capabilities which allowed the accurate control and measurement of air and water conditions. Comparisons with data available in the literature for similar conditions have revealed that the trends of the present results are consistent and adequate. Heat transfer and pressure drop results of the present investigation are not adequately correlated by equations from literature, deviations being attributable to differences in the geometry of the fins. Finally, a procedure for fin surface selection has been tested based on the ratio between the heat transfer rate and the pumping power. The best performing surface among the ones tested was the louver fin in a four tube row coil