Simulación del Recorrido de un Fluido Térmico a través de un Serpentín Areli Arcos 1,2, Jorge Pineda 1, Miguel A. Hernández 1,2 (1) Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada Unidad Querétaro, Instituto Politécnico Nacional. (2) Instituto Tecnológico de Querétaro (México) (areliap@hotmail.com) RESUMEN Se realiza la simulación del recorrido del aceite térmico Therminol 55 a través de un intercambiador de calor en forma de espiral (serpentín) en el programa Solid Works. El serpentín se simula de material de cobre puro con un diámetro de ½ y una longitud total de 2.7 m, diámetro mínimo de 5 cm y diámetro máximo de 27 cm, la cantidad total de revoluciones consideradas es de 4.75. El aceite Therminol 55 no es un fluido definido en la biblioteca del programa usado por lo que las características como la densidad, conductividad térmica, viscosidad dinámica, etc. fueron definidas es el programa con anterioridad. En la simulación se consideran dos diferentes proceso: el de calentamiento del serpentín debido al paso del fluido caliente y el de enfriamiento del serpentín debido a la convección natural en ausencia de fluido caliente. En el proceso de calentamiento del serpentín se hace recorrer el fluido térmico ya mencionado a 127 C; el flujo másico se mantiene constante a 0.2 kg/s, para determinar el tiempo que le toma al serpentín llegar al equilibrio térmico. En el proceso de enfriamiento, se elimina el paso del fluido y se somete al serpentín a la presencia de aire a una velocidad promedio de 3 m/s, con estas características se obtiene el tiempo de enfriamiento del intercambiador de calor. En el proceso de calentamiento se obtiene que el serpentín tarda entre 20 y 30 s en alcanzar la temperatura de equilibrio, para el proceso de enfriamiento el serpentín tarda entre 800 y 1000 s en alcanzar la temperatura ambiente. Este proceso de simulación forma parte del diseño de una cocina solar para instalarse en la zona rural del estado de Querétaro, México. INTRODUCCIÓN El serpentín proporciona uno de los medios más baratos de obtener superficie para transferencia de calor. Generalmente se construye enrollando longitudes variables de tubería de cobre, acero o aleaciones, para darle forma de hélice en los que la entrada y salida están convenientemente localizadas lado a lado. Los serpentines helicoidales de cualquier tipo se instalan frecuentemente en recipiente cilíndricos verticales, ya sea con agitador o sin él, y siempre se provee de espacio entre el serpentín y a pared del recipiente para circulación. Otro tipo de serpentín es el de espiral plano, que es un espiral enrollado en un plano. Hay gran escasez de datos en la literatura sobre la transferencia de calor a serpentines. Hasta la fecha no hay en la literatura métodos estándar para el cálculo del coeficiente de calor por convección para el exterior de un intercambiador de espiral plana. (Cengel, 2003); por tal motivo es conveniente utilizar CFD (Computational Fluid Dynamics) para realizar la simulación de procesos que involucran el intercambio de calor entre fluidos. SIMULACIÓN
El proceso de simulación se realizó en el programa Solid Works, en específico con el complemento Flow Simulation. La Figura 1 muestra una imagen del serpentín de espiral plana considerada para la simulación. Figura 1.- Geometría del Serpentín de Espiral Plana usada para la simulación Las características del serpentín se muestran en la Tabla 1. Proceso de calentamiento Tabla 1.- Características geométricas del serpentín Longitud total 2.7 m Número de vueltas 4.75 Diámetro mínimo 5 cm Diámetro máximo 27 cm Diámetro del tubo 1.27 cm Material Cobre Las condiciones iniciales de la simulación en el proceso de calentamiento se pueden observar en la Tabla 2. Tabla 2.- Condiciones iniciales proceso de calentamiento Flujo másico 0.31 kg/s Temperatura inicial del fluido 127 C Entrada del fluido parte exterior de la espiral Salida del fluido parte interna de la espiral Tiempo de estudio 30 segundos Temperatura inicial del 25 C serpentín
Proceso de enfriamiento En el proceso de simulación del enfriamiento se consideran sólo pérdidas por convección natural, considerando la temperatura inicial del sólido homogénea. Tabla 3.- Condiciones iniciales del proceso de enfriamiento Temperatura inicial 127 C Tiempo de simulación 900 s Temperatura ambiente 25 C Velocidad del viento 3 m/s Se consideró la velocidad del viento promedio reportada para el mes de diciembre de 2012 por CEA-PLAZA ESCOBEDO1 (Weather Underground) RESULTADOS Proceso de calentamiento Los resultados del proceso de calentamiento se reportan en la Figura 2 donde se puede observar el incremento en forma exponencial en la temperatura del serpentín. Figura 2.- Comportamiento exponencial de la temperatura La Figura 3 muestra la temperatura del serpentín al finalizar el tiempo de estudio (30 s)
Figura 3.- Temperatura del serpentín a los 30 s. Proceso de enfriamiento El proceso de enfriamiento se puede observar en la Figura 4, el decaimiento exponencial llega al equilibrio entre los 800 s (13 min) y 900 s (15 min). Figura 4.- Decaimiento exponencial de la temperatura en el proceso de enfriamiento La Figura 5 muestra la temperatura de la pared del serpentín a los 900 s del proceso de enfriamiento.
Figura 5.- Temperatura del serpentín a los 900 s. Bajo estas características, el modelo de serpentín es capaz de sustituir una hornilla convencional; es decir, en 20 s el serpentín es capaz de iniciar el proceso de transferencia máxima de calor; mientras que a los 15 min, se ha enfriado por completo este comportamiento es semejante al de una hornilla convencional. La finalidad de este dispositivo es la transferencia de calor y ésta se da cuando la pared del espiral ha alcanzado la temperatura del fluido por lo que la máxima potencia calorífica del serpentín es: Esta potencia se encuentra por debajo de las proporcionadas por estufas comerciales, por tal motivo se recomienda elevar la temperatura del fluido hasta 250 C, a esta temperatura la potencia máxima llegará ser: CONCLUSIONES La geometría de serpentín de espiral plana proporciona una configuración parecida a las de estufas comerciales El tiempo de calentamiento del serpentín es de 20 s El tiempo de enfriamiento del serpentín es de 15 min El tiempo en el proceso de calentamiento y enfriamiento del serpentín tiene el mismo comportamiento comparado con estufas convencionales. (1) (2)
La potencia máxima del serpentín es de 7956 W Bajo las características de temperatura simuladas en este trabajo, la potencia proporcionada por el serpentín no es suficiente para competir con estufas convencionales. Se recomienda elevar la temperatura del fluido para incrementar la potencia del serpentín. Elevar la temperatura del fluido a 250 C proporcionará una potencia máxima de 17 kw, esta potencia ya es comparable con las de estufas comerciales. REFERENCIAS Cengel, Y. A. (2003). Transferencia de Calor. México: McGraw Hill. Weather Underground, I. (s.f.). Weather Station History. Recuperado el 07 de 01 de 2013, de http://www.wunderground.com