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Experimental investigation on heat transfer to supercritical CO2 in a microtube up to 30 MPa for application in the NET Power cycle

材料科学 传热 超临界流体 传热系数 热力学 热流密度 临界热流密度 NTU法 板式换热器 板翅式换热器 强化传热 微型热交换器 热交换器 动态刮削表面换热器 机械 质量流 散热片 浮力 质量流量 核沸腾 核工程 热容率 热的 入口 强化传热 传质 质量通量 鳍 热管 热撒布器 布莱顿循环 性能系数 热效率 回热器
作者
Iván Velázquez,Danilo A. Cantero,Frederiek Demeyer,Miriam Reyes
出处
期刊:Applied Thermal Engineering [Elsevier BV]
卷期号:285: 129206-129206 被引量:2
标识
DOI:10.1016/j.applthermaleng.2025.129206
摘要

• Heat transfer in supercritical CO 2 microflows up to 30 MPa was investigated. • An increase in mass flux enhances heat transfer rates at all pressures tested. • Higher heat flux enhances supercritical CO 2 heat transfer rates for 15–30 MPa. • Buoyancy effects diminish with increasing pressure and are more marked at 10 MPa. • The new heat transfer model captures the data points with a 6.74 % of error. Microtube heat exchangers represent a high-performance alternative to conventional printed circuit designs for the thermal recuperator of the innovative oxy-combustion NET Power cycle, offering potential improvements in both system efficiency and compactness. To support this technology transition, this study presents an experimental investigation of heat transfer in CO 2 at supercritical pressures up to 30 MPa. Experiments were conducted using a 1700 mm long, 0.88 mm inner diameter, uniformly heated horizontal microtube designed to replicate the operating conditions of a microtube heat exchanger. An experimental setup was built to measure local heat transfer coefficients of CO 2 , with a parametric analysis performed to evaluate the influence of mass flux, heat flux, inlet temperature, buoyancy, and flow acceleration. Tests were conducted at pressures of 10, 15, 20, 25 and 30 MPa. Results show that the heat transfer improves with increasing mass flux. At 10 MPa, the heat transfer coefficient exhibits a peak near the pseudo-critical temperature, followed by a deterioration and subsequent recovery. With increasing thermal input, the peak is attenuated, while heat transfer performance improves at higher pressures. Raising inlet temperatures enhances heat transfer in the thermal inflow region, reduces the peak value at 10 MPa, and causes the heat transfer coefficients to converge across different pressures. Buoyancy effects are most pronounced at 10 MPa and become weaker as pressure increases. Moreover, a new deep neural network model was developed to predict heat transfer coefficients, demonstrating an average deviation of 6.34 %. The present study substantially expands the existing experimental database, provides new physical interpretations of key phenomena, and translates these findings into a predictive tool applicable to engineering design.
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