Influence of structural and operational parameters on heat transfer and reaction in helical tube pyrolysis reactors

管(容器) 传热 热解 材料科学 核工程 机械 热力学 化学工程 工程类 复合材料 物理
作者
Chunxue Zhang,Wenchun Jiang,Jie Long,Huibo Meng,Yiliang Jia
出处
期刊:Journal of physics [IOP Publishing]
卷期号:3092 (1): 012011-012011
标识
DOI:10.1088/1742-6596/3092/1/012011
摘要

Abstract Helical tubes are known for their ability to enhance heat and mass transfer due to secondary flow effects. However, their application in pyrolysis reactors remains underexplored. This study presents a three-dimensional numerical model coupling fluid flow, heat transfer, and pyrolysis reaction kinetics in a helical reactor. The model is implemented in ANSYS Fluent with validated turbulence and species transport equations. Parametric studies were conducted to evaluate the effects of inlet velocity, helical pitch (100-500 mm), coil diameter (400-800 mm), and tube inner diameter (19-59 mm) on thermal and reaction performance. Results show that increasing velocity improves heat transfer (Nu increases, f decreases) but reduces conversion due to shorter residence time. Pitch variation has a negligible impact. Increasing coil diameter reduces Nu by ~8% but raises conversion from 63% to 96% due to longer tube length. For inner diameter, the optimal value is 39 mm, maintaining > 95% conversion while balancing pressure drop and heat transfer. These findings provide practical design guidance for helical pyrolysis reactors.
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