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以超臨界二氧化碳（S-CO?）為代表的新型超臨界流體正以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在制冷、發(fā)電、儲(chǔ)能等領(lǐng)域拓展應(yīng)用，推動(dòng)世界能源體系變革。通過(guò)在CO?中添加第二組分形成混合工質(zhì)，可以有效調(diào)節(jié)其熱物性、降低循環(huán)應(yīng)用的壓力、提高效率。
工程熱物理研究所傳熱傳質(zhì)研究中心基于S-CO?循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)，開展了S-CO?基混合工質(zhì)加熱和冷卻工況的流動(dòng)傳熱特性試驗(yàn)。該試驗(yàn)臺(tái)設(shè)置了S-CO?基混合工質(zhì)—高溫導(dǎo)熱油/中溫?zé)崴顭峄芈罚菄?guó)內(nèi)極少數(shù)可以同時(shí)完成S-CO?基混合工質(zhì)加熱、冷卻、蓄熱試驗(yàn)的多功能平臺(tái)。圖1展示了該試驗(yàn)平臺(tái)。平臺(tái)操作壓力0.4~15 MPa，操作溫度6℃~260℃，最高加熱功率120 kW。
圖1 S-CO?基混合工質(zhì)循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)
研究團(tuán)隊(duì)開展了CO2-N2和CO2-R1234ze(E)等混合工質(zhì)在超臨界狀態(tài)下的加熱、冷卻及蓄熱試驗(yàn)，獲得了多種操作條件下工質(zhì)在各種管段和管徑下的流動(dòng)傳熱數(shù)據(jù)。目前全系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行2000個(gè)小時(shí)，各部件均可達(dá)預(yù)定最高參數(shù)。在CO?-N?的加熱試驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)N2的引入能改變工質(zhì)的熱物性分布，即使是少量添加劑也會(huì)顯著影響局部傳熱特性；在混有1.7%的氮?dú)鈺r(shí)（摩爾混合比），混合工質(zhì)相較于純CO?在試驗(yàn)條件下傳熱在多數(shù)位置明顯增強(qiáng)，而質(zhì)流密度、熱流密度和壓力對(duì)混合工質(zhì)傳熱性能的影響規(guī)律與純CO?相似。圖2展示了CO?-R1234ze(E)質(zhì)量混合比例為80%/20%時(shí)加熱的對(duì)流換熱系數(shù)變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，提高進(jìn)口溫度將強(qiáng)化工質(zhì)入口段傳熱而削弱工質(zhì)出口段傳熱；提高進(jìn)口壓力對(duì)傳熱性能的影響在流體溫度高于擬臨界溫度時(shí)不再顯著；提高熱流密度使得混合工質(zhì)傳熱出現(xiàn)了惡化。
圖2 混合工質(zhì)加熱時(shí)局部對(duì)流換熱系數(shù)變化規(guī)律
本研究得到了中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（YSBR-043）支持，系列研究成果發(fā)表在Applied Thermal Engineering (2025), 265:125623, 278:127305; International Journal of Heat and Fluid Flow (2025), 114:109830; Nuclear Engineering and Design (2025), 446, 114639等。
基于該系統(tǒng)的系列試驗(yàn)分析，能夠獲得到混合工質(zhì)在加熱、冷卻過(guò)程中的特殊流動(dòng)傳熱現(xiàn)象、篩選合適的混合工質(zhì)及其配置比例，為S-CO?基混合工質(zhì)在制冷、發(fā)電、余熱回收及長(zhǎng)時(shí)大規(guī)模儲(chǔ)能等實(shí)際工程中應(yīng)用提供支撐。
