Jump to ContentJump to Main Navigation
Show Summary Details

Archive of Mechanical Engineering

The Journal of Committee on Machine Building of Polish Academy of Sciences

4 Issues per year

SCImago Journal Rank (SJR) 2015: 0.178
Source Normalized Impact per Paper (SNIP) 2015: 0.453
Impact per Publication (IPP) 2015: 0.314

Open Access
See all formats and pricing

Computational analysis for the effect of the taper angle and helical pitch on the heat transfer characteristics of the helical cone coils

Mohamed Abo Elazm
  • Arab Academy for Science, Technology and Maritime Transport, Alexandria, Egypt
  • Email:
/ Ahmed Ragheb
  • Arab Academy for Science, Technology and Maritime Transport, Alexandria, Egypt
  • Email:
/ Ahmed Elsafty
  • American University of the Middle East, Kuwait
/ Mohamed Teamah
  • Faculty of Engineering, Alexandria University, Alexandria, Egypt
Published Online: 2012-10-31 | DOI: https://doi.org/10.2478/v10180-012-0019-9

This numerical research is devoted to introducing the concept of helical cone coils and comparing the performance of helical cone coils as heat exchangers to the ordinary helical coils. Helical and spiral coils are known to have better heat and mass transfer than straight tubes, which is attributed to the generation of a vortex at the helical coil. This vortex, known as the Dean Vortex, is a secondary flow superimposed on the primary flow. The Dean number, which is a dimensionless number used in describing the Dean Vortex, is a function of Reynolds Number and the square root of the curvature ratio, so varying the curvature ratio for the same coil would vary the Dean Number. Numerical investigation based on the commercial CFD software fluent is used to study the effect of changing the structural parameters (taper angle of the helical coil, pitch and the base radius of curvature changes while the height is kept constant) on the Nusselt Number, heat transfer coefficient and coil outlet temperature. Six main coils having pipe diameters of 10 and 12.5 mm and base radius of curvature of 70, 80 and 90 mm were used in the investigation. It was found that, as the taper angle increases, both Nusselt Number and the heat transfer coefficient increase, also the pitch at the various taper angles was found to have an influence on Nusselt Number and the heat transfer coefficient. A MATLAB code was built to calculate the Nusselt Number at each coil turn, then to calculate the average Nusselt number for all of the coil turns. The MATLAB code was based on empirical correlation of Manlapaz and Churchill for ordinary helical coils. The CFD simulation results were found acceptable when compared with the MATLAB results.


W pracy przedstawiono badania numeryczne majace na celu prezentacje koncepcji stozkowych wezownic spiralnych i porównanie charakterystyk ich działania jako wymienników ciepła do charakterystyk zwykłych wezownic spiralnych. Jak wiadomo, wezownice spiralne i stozkowe charakteryzuja sie lepszym przenoszeniem ciepła i masy niz proste rury, co jest zwiazane z powstawaniem wiru w wezownicy spiralnej. Ten tzw. wir Deana (Dean Vortex) jest przepływem wtórnym, nałozonym na przepływ pierwotny. Bezwymiarowy współczynnik Deana, stosowany do opisu wiru Deana, jest funkcja liczby Reynoldsa i pierwiastka kwadratowego ze współczynnika krzywizny, totez liczba Deana zmienia sie dla danej wezownicy wraz z jej krzywizna. Obliczenia numeryczne wykonano przy uzyciu komercyjnego oprogramowania CFD w celu zbadania wpływu zmian parametrów strukturalnych wezownicy spiralnej (kat zbieznosci, skok i promien bazowy krzywizny zmieniały sie, podczas gdy wysokosc pozostawała stała) na liczbe Nusselta, współczynnik wymiany ciepła i temperature na wyjsciu wezownicy. W badaniach wykorzystano szesc głównych wezownic, o srednicach rury 10 i 12,5 mm i promieniach bazowych krzywizny 70, 80 i 90 mm. W wyniku badan stwierdzono, ze zarówno liczba Nusselta jak współczynnik wymiany ciepła rosna wraz ze wzrostem kata zbieznosci. Stwierdzono równiez, ze przy róznych katach zbieznosci skok spirali ma wpływ na liczbe Nusselta i współczynnik wymiany ciepła. Opracowano program w srodowisku MATLAB przy pomocy którego obliczono liczby Nusselta dla kazdego zwoju wezownicy; na tej podstawie obliczono nastepnie wartosc srednia liczby Nusselta dla całej wezownicy. Program obliczeniowy był oparty na równaniu empirycznym Manlapaza i Churchilla dla zwykłych wezownic spiralnych. Wyniki symulacji uzyskane przy uzyciu oprogramowania CFD okazały sie mozliwe do przyjecia w zestawieniu z wynikami obliczen w programie MATLAB.

Keywords: numerical; helical; heat exchanger; heat transfer

  • [1] Rohsenow W.M., James R.H., Cho Y.I.: 1998, Handbook of Heat Transfer, United States of America: McGraw Hill.

  • [2] Bejan A., Kraus A.D.: 2002, Heat Transfer Handbook. United States of America: WILEY.

  • [3] Dennis S.C.R., Ng M.: 1982, Dual solutions for steady laminar flow through a curved tube. Quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics, Vol. 35 (3):305-324. [Crossref]

  • [4] Dennis S.C.R., Riley N.: 1991, On the fully developed flow in a curved pipe at large Dean number. Proc. R. Soc. London Ser. A 434 (1891), 473-478.

  • [5] Austen D.S., Soliman H.M.: 1988, Laminar flow and heat transfer in helically coiled tubes with substantial pitch. Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 1, 183-194. [Web of Science]

  • [6] Yang G., Dong F., Ebadian M.A.: 1995, Laminar forced convection in a helicoidal pipe with finite pitch. International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol.38(5):853-862. [Crossref]

  • [7] Germano M.: 1982, On the effect of torsion on a helical pipe flow. Journal of Fluid Mechanics, Vol. 125:1-8.

  • [8] Tuttle E.R.: 1990, Laminar flow in twisted pipes. Journal of Fluid Mechanics, Vol. 219:545-570. [Web of Science]

  • [9] Kalb C.E., Seader J.D.: 1972, Heat and mass transfer phenomena for viscous flow in curved circular tubes. International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 15:801-817. [Crossref]

  • [10] Zapryanov Z., Christov C., Toshev E.: 1980, Fully developed laminar flow and heat transfer in curved tubes. International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 23:873-880. [Crossref]

  • [11] Figueiredo A.R., Raimundo A.M.: 1996, Analysis of the performances of heat exchangers used in hot-water stores. Applied Thermal Engineering, 16:605-11. [Crossref]

  • [12] Paisarn Naphon, Jamnean Suwagrai: 2007, Effect of curvature ratios on the heat transfer and flow developments in the horizontal spirally coiled tubes, International Journal of Heat and Mass Transfer, 50: 444-451. [Web of Science]

  • [13] Yan Ke, Ge Pei-qi, Sue Yan-cai, Meng Hai-tao: 2011, Numerical simulation on heat transfer characteristic of conical spiral tube bundle, Applied Thermal Engineering, 31: 284-292.

About the article



Published Online: 2012-10-31

Published in Print: 2012-10-01

Citation Information: Archive of Mechanical Engineering, ISSN (Print) 0004-0738, DOI: https://doi.org/10.2478/v10180-012-0019-9. Export Citation

This content is open access.

Comments (0)

Please log in or register to comment.
Log in