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Heat transfer deterioration in helically coiled tubes with supercritical water: A numerical study on the impact of cross-sectional shapes

材料科学 超临界流体 传热系数 热交换器 传热 机械 热流密度 热力学 管(容器) 质量流量 微型热交换器 传质 质量通量 流量(数学) 强化传热 板式换热器 薄膜温度 离心力 计算机模拟 二次流 临界热流密度 流体力学 超临界流 缩放比例 动态刮削表面换热器 NTU法 传质系数 管壳式换热器
作者
Jiaqi Yang,Xinyu Wu,Haode Zheng,Z. ; https://orcid.org/0000-0002-0557-9694 Lu,Shaopeng Si,Fucheng Chang,H. N. Li
出处
期刊:Case Studies in Thermal Engineering [Elsevier BV]
卷期号:80: 107844-107844
标识
DOI:10.1016/j.csite.2026.107844
摘要

Supercritical water flow in helically coiled tubes (HCTs) offers a promising solution for high-efficiency, compact heat exchangers in advanced power systems. This study conducts a numerical investigation of wall temperature and heat transfer coefficient ( h ) in circular HCT (C-HCT), horizontally elliptical HCT (HE-HCT), and vertically elliptical HCT (VE-HCT) at 25 MPa. Numerical analysis reveals that local heat transfer coefficient ( h local ) distributions exhibit distinct sensitivities to cross-sectional shapes: the order of h local at the top of the inner wall of the tube is HE-HCT > C-HCT > VE-HCT, whereas at the inner side of the inner wall of the tube, the order is VE-HCT > C-HCT > HE-HCT, with the h local at the inner side of VE-HCT being 41.1% higher than C-HCT at high heat flux. As bulk fluid temperature or mass flux increases, centrifugal force dominates, and temperature and velocity distributions become increasingly symmetrical, and the location with the lowest h local moves inward. In terms of the average h on the cross-section, C-HCT outperforms HE-HCT and VE-HCT across the investigated bulk fluid enthalpy range, demonstrating its superior overall heat transfer efficiency. At high mass flux, although VE-HCT exhibit a 63.1% lower circumferential wall temperature inhomogeneity compared to C-HCT, indicating improved temperature uniformity, this comes at the expense of heat transfer performance. The average h on the cross-section for VE-HCT is only 71% of that for C-HCT. These results could provide essential theoretical insights and actionable recommendations for the design of high-performance heat exchangers in the lead-cooled fast reactors.
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