中国科学院工程热物理所在超临界二氧化碳基混合工质流动传热试验方面取得新进展 焦点热讯

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以超临界二氧化碳（S-CO₂）为代表的新型超临界流体正以其独特优势，在制冷、发电、储能等领域拓展应用，推动世界能源体系变革。通过在CO₂中添加第二组分形成混合工质，可以有效调节其热物性、降低循环应用的压力、提高效率。

工程热物理研究所传热传质研究中心基于S-CO₂循环试验台，开展了S-CO₂基混合工质加热和冷却工况的流动传热特性试验。该试验台设置了S-CO₂基混合工质—高温导热油/中温热水蓄热回路，是国内极少数可以同时完成S-CO₂基混合工质加热、冷却、蓄热试验的多功能平台。图1展示了该试验平台。平台操作压力0.4~15 MPa，操作温度6℃~260℃，最高加热功率120 kW。

图1 S-CO₂基混合工质循环试验系统

研究团队开展了CO2-N2和CO2-R1234ze(E)等混合工质在超临界状态下的加热、冷却及蓄热试验，获得了多种操作条件下工质在各种管段和管径下的流动传热数据。目前全系统已稳定运行2000个小时，各部件均可达预定最高参数。在CO₂-N₂的加热试验中，研究团队发现N2的引入能改变工质的热物性分布，即使是少量添加剂也会显著影响局部传热特性；在混有1.7%的氮气时（摩尔混合比），混合工质相较于纯CO₂在试验条件下传热在多数位置明显增强，而质流密度、热流密度和压力对混合工质传热性能的影响规律与纯CO₂相似。图2展示了CO₂-R1234ze(E)质量混合比例为80%/20%时加热的对流换热系数变化规律。研究结果表明，提高进口温度将强化工质入口段传热而削弱工质出口段传热；提高进口压力对传热性能的影响在流体温度高于拟临界温度时不再显著；提高热流密度使得混合工质传热出现了恶化。

图2 混合工质加热时局部对流换热系数变化规律

本研究得到了中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队项目（YSBR-043）支持，系列研究成果发表在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。

基于该系统的系列试验分析，能够获得到混合工质在加热、冷却过程中的特殊流动传热现象、筛选合适的混合工质及其配置比例，为S-CO₂基混合工质在制冷、发电、余热回收及长时大规模储能等实际工程中应用提供支撑。

关键词： 新进展 试验 传热 冷却 压力 流动 混合