Calculo de serpentin helicoidal Excel

SIMULACIÓN DEL INTERCAMBIO DE CALOR EN UN SERPENTIN HELICOIDAL Y
VALIDACIÓN DE FORMA EXPERIMENTAL
Daniel Flórez-Orrego*†, Walter Arias-Ramírez*, Héctor Velásquez Arredondo*
*

Universidad Nacional de Colombia – Sede Medellín, Cra. 80 #65-223, of. M179910, Medellín, Colombia,

Resumen: En este artículo se modela el flujo y la trasferencia de calor de un fluido
al interior de un serpentínhelicoidal cuando este es sometido a un flux de calor
constante, usando el software de CFD ANSYS® Fluent 12.1. Además, se analizan
las principales variables que intervienen en el fenómeno del aumento del coeficiente
convectivo respecto a los tubos rectos, incluidos el flujo secundario y la caída de
presión. Los resultados obtenidos fueron validados a partir de un prototipo para el
estudio delintercambio de calor en tubos curvos en el Laboratorio de Ciencias
Térmicas de la Universidad Nacional de Colombia - Medellín. Los resultados
obtenidos presentan diferencias de hasta el 50% con los predichos por la correlación
propuesta por Seban y Mclaughlin.
Abstract: In this paper the fluid mechanics and heat transfer process of a fluid
flowing through a helically coiled heat exchangerwhile is summited to a constant
heat flux is simulated using CFD software ANSYS® Fluent 12.1. Furthermore, the
main variables that intervene in the enhancing phenomenon of the convective heat
transfer coefficient respect to straight tubes, included secondary flow and pressure
drop are analyzed. Results were validated using a research prototype for studying
heat transfer in curved tubes in theLaboratory of Thermal Sciences at National
University of Colombia - Medellin. Obtained results agree with those predicted with
the Seban-Mclauhlin´s correlation.
Keywords: Helically coiled heat exchanger, Secondary flow, Pressure drop,
Enhanced heat transfer.
1. INTRODUCCIÓN
Cuando se requiere mejorar el desempeño de un
intercambiador de calor sin que esto repercuta en
un mayor tamaño serecurre a diferentes técnicas
para aumentar la transferencia de calor [1]. Una
de estas técnicas ampliamente aplicadas en
procesos industriales son los tubos curvos [2], que
†

Autor al que se le dirige la correspondencia:
Tel. (+574) 4309273, fax (+574)4255339.
E-mail: daniel.florez.orrego@gmail.com

ofrecen soluciones a las limitaciones de espacio y
que simultáneamente proporcionan altastasas de
transferencia de calor acompañadas de una baja
caída de presión debido a la reducción de la
cantidad de dispositivos intermedios (válvulas,
compartimientos de distribución, etc.) [3].

Daniel Flórez-Orrego, Walter Arias Ramírez

Nomenclatura
D

Diámetro del tubo

DH

Diámetro del Serpentín

h

Coeficiente convectivo de
Transferencia de Calor

f

Coeficiente defricción de Colebrook

H

Paso de Hélice

Lc

Longitud del Serpentín

L

Longitud del Tubo

r

Densidad del fluido

"

Caudal

Q

Flujo de Calor

m

Flujo másico

A

Area

Q"

La ventaja de las configuraciones de tubos curvos
obedece a dos condiciones simultáneas: 1) un
incremento en la tasa de transferencia de calor
debido al flujo secundario producido alinterior
del serpentín y 2) la disponibilidad de una gran
área para generar la transferencia de calor por
unidad de volumen. En pocas palabras, el flujo
secundario corresponde a una compensación entre
los gradientes de presión y momento y la fuerza
centrípeta generada sobre el fluido por parte de
las paredes del ducto. Un vórtice obliga al flujo a
fluir hacia la pared externa del serpentín porla
mitad de la sección transversal y a volver a la
pared interna por los bordes superior e inferior,
como se indica en la figura 2.

Flux de Calor

Cp

Figura 1. Intercambiador de calor en forma de
serpentín helicoidal.

Calor específico

k

Conductividad térmica

µ

Viscosidad Dinámica

Re

Número de Reynolds

Pr

Número de Prandtl

e

Rugosidad Absoluta

V...