Enhancing supercritical carbon dioxide heat transfer in helical tube heat exchangers with twisted tape inserts: A computational investigation
- 1. McGill University
- 2. Curtin University Sarawak
Description
Supercritical carbon dioxide (sCO2) has recently gained considerable attention due to its unique thermal properties that make it favorable as working fluid in various thermal system. It is particularly promising in cooling application of powerplant in combination with helical tube heat exchanger. One way to further enhance its heat transfer performance is by introducing twisted tape insert to the helical tube heat exchanger working with sCO2. Nonetheless, no study evaluating this idea has been reported, withholding further implementation of this innovative idea. Hence, this study aims to investigate the heat transfer performance of sCO2 in helical tubes with twisted tape inserts. A three-dimensional computational model, considering mass, momentum, and energy conservation, is developed and validated against experimental data. The heat transfer characteristics are evaluated in terms of wall and bulk fluid temperature as well as heat transfer coefficient. The impact of twisted tape width, twisting turns, and operating parameters (heat and mass fluxes) are evaluated to gain understanding on the contribution of these parameters on the heat transfer mechanism of the flow. The results reveal that introduction of twisted tape inserts enhanced heat exchange performance because of the intensified secondary flow within the helical tube. The most notable enhancement takes place when the temperature remains within the pseudo-critical region, driven by the higher thermal conductivity that dominates heat transfer near the wall and the higher specific heat capacity, enabling efficient heat absorption while restraining temperature rise. However, increasing the number of turns and tape width does not necessarily result in a greater heat transfer enhancement. Performance evaluation criterion (PEC) is utilized to evaluate overall performance. Further exploration using the Taguchi method underscores the dominance of operating parameters including mass flux and heat flux, over geometric factors like the number of turns and tape width. Moreover, strong interactions are only observed between geometric parameters (number of turns and tape width) and the temperature difference between the inlet and pseudo-critical points. Results from this study are expected to augment critical information required in developing high performance cooling mechanisms for various thermal systems, especially power plants.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
اكتسب ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج (sCO2) مؤخرًا اهتمامًا كبيرًا بسبب خصائصه الحرارية الفريدة التي تجعله مناسبًا كسائل عامل في نظام حراري مختلف. إنه واعد بشكل خاص في تطبيق التبريد لمحطة توليد الطاقة بالاقتران مع مبادل حراري لأنبوب حلزوني. تتمثل إحدى الطرق لزيادة تحسين أداء نقل الحرارة في إدخال شريط ملتوي في المبادل الحراري للأنبوب الحلزوني الذي يعمل مع ثاني أكسيد الكربون. ومع ذلك، لم يتم الإبلاغ عن أي دراسة لتقييم هذه الفكرة، مما يحجب المزيد من التنفيذ لهذه الفكرة المبتكرة. وبالتالي، تهدف هذه الدراسة إلى التحقيق في أداء نقل الحرارة لثاني أكسيد الكربون في الأنابيب الحلزونية مع إدراج الأشرطة الملتوية. يتم تطوير نموذج حسابي ثلاثي الأبعاد، مع الأخذ في الاعتبار الكتلة والزخم والحفاظ على الطاقة، والتحقق من صحته مقابل البيانات التجريبية. يتم تقييم خصائص نقل الحرارة من حيث درجة حرارة الجدار والسائل السائب وكذلك معامل نقل الحرارة. يتم تقييم تأثير عرض الشريط الملتوي، ودوران الالتواء، ومعلمات التشغيل (الحرارة والتدفقات الكتلية) لفهم مساهمة هذه المعلمات في آلية نقل الحرارة للتدفق. كشفت النتائج أن إدخال حشوات الشريط الملتوي عزز أداء التبادل الحراري بسبب التدفق الثانوي المكثف داخل الأنبوب الحلزوني. يحدث التعزيز الأبرز عندما تظل درجة الحرارة داخل المنطقة الحرجة الزائفة، مدفوعة بالتوصيل الحراري الأعلى الذي يسيطر على نقل الحرارة بالقرب من الجدار والسعة الحرارية النوعية الأعلى، مما يتيح امتصاص الحرارة بكفاءة مع تقييد ارتفاع درجة الحرارة. ومع ذلك، فإن زيادة عدد المنعطفات وعرض الشريط لا يؤدي بالضرورة إلى زيادة تحسين نقل الحرارة. يستخدم معيار تقييم الأداء (PEC) لتقييم الأداء العام. يؤكد المزيد من الاستكشاف باستخدام طريقة تاجوشي على هيمنة معلمات التشغيل بما في ذلك التدفق الكتلي والتدفق الحراري، على العوامل الهندسية مثل عدد اللفات وعرض الشريط. علاوة على ذلك، يتم ملاحظة التفاعلات القوية فقط بين المعلمات الهندسية (عدد اللفات وعرض الشريط) وفرق درجة الحرارة بين نقاط الدخول والنقاط الحرجة الزائفة. من المتوقع أن تزيد نتائج هذه الدراسة من المعلومات الهامة المطلوبة في تطوير آليات تبريد عالية الأداء للأنظمة الحرارية المختلفة، وخاصة محطات الطاقة.Translated Description (French)
Le dioxyde de carbone supercritique (sCO2) a récemment attiré une attention considérable en raison de ses propriétés thermiques uniques qui le rendent favorable en tant que fluide de travail dans divers systèmes thermiques. Il est particulièrement prometteur dans l'application de refroidissement de la centrale électrique en combinaison avec un échangeur de chaleur à tube hélicoïdal. Une façon d'améliorer encore ses performances de transfert de chaleur est d'introduire un insert de ruban torsadé dans l'échangeur de chaleur à tube hélicoïdal fonctionnant avec du sCO2. Néanmoins, aucune étude évaluant cette idée n'a été rapportée, empêchant la poursuite de la mise en œuvre de cette idée innovante. Par conséquent, cette étude vise à étudier les performances de transfert de chaleur du sCO2 dans des tubes hélicoïdaux avec des inserts de ruban torsadés. Un modèle informatique tridimensionnel, tenant compte de la masse, de la quantité de mouvement et de la conservation de l'énergie, est développé et validé par rapport aux données expérimentales. Les caractéristiques de transfert de chaleur sont évaluées en termes de température de la paroi et du fluide en vrac ainsi que de coefficient de transfert de chaleur. L'impact de la largeur du ruban torsadé, des tours de torsion et des paramètres de fonctionnement (flux de chaleur et de masse) est évalué pour comprendre la contribution de ces paramètres sur le mécanisme de transfert de chaleur du flux. Les résultats révèlent que l'introduction de ruban torsadé améliore les performances d'échange thermique en raison de l'intensification du flux secondaire à l'intérieur du tube hélicoïdal. L'amélioration la plus notable a lieu lorsque la température reste dans la région pseudo-critique, entraînée par la conductivité thermique plus élevée qui domine le transfert de chaleur près du mur et la capacité thermique spécifique plus élevée, permettant une absorption efficace de la chaleur tout en limitant l'augmentation de la température. Cependant, l'augmentation du nombre de tours et de la largeur du ruban n'entraîne pas nécessairement une plus grande amélioration du transfert de chaleur. Le critère d'évaluation de la performance (CEP) est utilisé pour évaluer la performance globale. Une exploration plus approfondie à l'aide de la méthode Taguchi souligne la prédominance des paramètres de fonctionnement, y compris le flux de masse et le flux de chaleur, sur des facteurs géométriques tels que le nombre de tours et la largeur de la bande. De plus, de fortes interactions ne sont observées qu'entre les paramètres géométriques (nombre de tours et largeur de bande) et la différence de température entre les points d'entrée et pseudo-critiques. Les résultats de cette étude devraient augmenter les informations critiques nécessaires au développement de mécanismes de refroidissement haute performance pour divers systèmes thermiques, en particulier les centrales électriques.Translated Description (Spanish)
El dióxido de carbono supercrítico (sCO2) ha ganado recientemente una atención considerable debido a sus propiedades térmicas únicas que lo hacen favorable como fluido de trabajo en varios sistemas térmicos. Es particularmente prometedor en la aplicación de enfriamiento de la planta motriz en combinación con el intercambiador de calor de tubo helicoidal. Una forma de mejorar aún más su rendimiento de transferencia de calor es introduciendo un inserto de cinta retorcida en el intercambiador de calor de tubo helicoidal que trabaja con sCO2. Sin embargo, no se ha informado de ningún estudio que evalúe esta idea, lo que impide una mayor implementación de esta idea innovadora. Por lo tanto, este estudio tiene como objetivo investigar el rendimiento de transferencia de calor de sCO2 en tubos helicoidales con insertos de cinta retorcida. Se desarrolla un modelo computacional tridimensional, que considera la masa, el momento y el ahorro de energía, y se valida con datos experimentales. Las características de transferencia de calor se evalúan en términos de temperatura de la pared y del fluido a granel, así como del coeficiente de transferencia de calor. El impacto del ancho de la cinta retorcida, los giros de torsión y los parámetros operativos (flujos de calor y masa) se evalúan para comprender la contribución de estos parámetros en el mecanismo de transferencia de calor del flujo. Los resultados revelan que la introducción de insertos de cinta retorcida mejoró el rendimiento del intercambio de calor debido a la intensificación del flujo secundario dentro del tubo helicoidal. La mejora más notable tiene lugar cuando la temperatura permanece dentro de la región pseudocrítica, impulsada por la mayor conductividad térmica que domina la transferencia de calor cerca de la pared y la mayor capacidad de calor específico, lo que permite una absorción de calor eficiente al tiempo que restringe el aumento de la temperatura. Sin embargo, aumentar el número de vueltas y el ancho de la cinta no necesariamente resulta en una mayor mejora de la transferencia de calor. El criterio de evaluación del desempeño (PEC) se utiliza para evaluar el desempeño general. La exploración adicional utilizando el método Taguchi subraya el predominio de los parámetros operativos, incluidos el flujo de masa y el flujo de calor, sobre factores geométricos como el número de vueltas y el ancho de la cinta. Además, solo se observan interacciones fuertes entre los parámetros geométricos (número de vueltas y ancho de la cinta) y la diferencia de temperatura entre los puntos de entrada y pseudocríticos. Se espera que los resultados de este estudio aumenten la información crítica necesaria para desarrollar mecanismos de enfriamiento de alto rendimiento para diversos sistemas térmicos, especialmente las centrales eléctricas.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تعزيز نقل الحرارة فوق الحرجة لثاني أكسيد الكربون في المبادلات الحرارية للأنبوب الحلزوني مع إدراج الشريط الملتوي: تحقيق حسابي
- Translated title (French)
- Amélioration du transfert de chaleur du dioxyde de carbone supercritique dans les échangeurs de chaleur à tubes hélicoïdaux avec inserts de ruban torsadés : une enquête computationnelle
- Translated title (Spanish)
- Mejora de la transferencia de calor de dióxido de carbono supercrítico en intercambiadores de calor de tubo helicoidal con insertos de cinta retorcida: una investigación computacional
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4395475680
- DOI
- 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.125598
References
- https://openalex.org/W1968947322
- https://openalex.org/W1972542220
- https://openalex.org/W1973857889
- https://openalex.org/W1982700134
- https://openalex.org/W2001370594
- https://openalex.org/W2001891097
- https://openalex.org/W2024931435
- https://openalex.org/W2579724387
- https://openalex.org/W2724299261
- https://openalex.org/W2801184578
- https://openalex.org/W2906027131
- https://openalex.org/W2970896978
- https://openalex.org/W2972668848
- https://openalex.org/W2995354016
- https://openalex.org/W3001328945
- https://openalex.org/W3004720327
- https://openalex.org/W3011080272
- https://openalex.org/W3025910527
- https://openalex.org/W3041982238
- https://openalex.org/W3125509843
- https://openalex.org/W3167878255
- https://openalex.org/W3182545585
- https://openalex.org/W4205292733
- https://openalex.org/W4205537548
- https://openalex.org/W4221122435
- https://openalex.org/W4229053203
- https://openalex.org/W4288421059
- https://openalex.org/W4294145116
- https://openalex.org/W4297394364
- https://openalex.org/W4301368666
- https://openalex.org/W4310177717
- https://openalex.org/W4313595035
- https://openalex.org/W4386620781