综述：在二氧化碳（CO?）换热器中，具有不同热物理性质的流体之间的耦合传热机制及性能优化：综述

本文系统综述了二氧化碳（CO?）与其他六种代表性工质的耦合传热机制及优化策略，基于一维数值模型量化分析了通道结构优化、添加剂（氦气、甲烷）引入及操作参数调整对换热性能的影响，发现通道结构优化和液压直径调整可显著提升性能，而氦气、甲烷作为添加剂效果最佳，其他惰性气体则导致性能下降。

　　

彭源|陈曦佳|张宣昂|王静宇|史凌峰|田华|舒国群

天津大学发动机国家重点实验室，中国天津市南开区卫津路92号，300072

摘要

二氧化碳（CO₂）动力循环在废热回收、核电发电和太阳能发电领域具有广泛的应用，其中热交换器作为关键部件，对系统效率有着重要影响。深入研究CO₂热交换器内热流体与冷流体之间的耦合传热机制对于提升循环性能至关重要。然而，现有的大多数综述主要关注CO₂本身的物理特性和传热特性，缺乏对不同应用场景下CO₂与其他工作流体之间的热物理性质差异、耦合传热机制及性能优化策略的系统性分析。为解决这一问题，本文系统回顾了CO₂与六种代表性工作流体之间耦合传热性能的当前研究现状和关键挑战，并总结了现有的评估指标及常用的优化方法（包括通道结构优化、混合流体添加和操作参数调整）。最后，建立了一维模型来定量评估不同优化方法对CO₂热交换器性能的提升效果。研究结果表明，在三种方法中，优化通道结构和水力直径能够带来最显著的性能提升。值得注意的是，最佳通道配置因工作流体对的不同而有所差异。在添加物中，氦气和甲烷对耦合传热性能的提升最为显著，而氩气、氪气和氙气则会降低性能并显著抑制局部耦合传热系数的峰值。本综述为CO₂热交换器的设计与优化提供了参考。

引言

与传统工作流体相比，CO₂具有多种显著优势，如无毒、不可燃、良好的环境兼容性和可持续性[1]。此外，CO₂具有独特的热物理性质，如高比热和低粘度[2]。这些特性使得CO₂动力循环成为下一代高效能源转换技术（尤其是超临界二氧化碳（SCPC）和跨临界二氧化碳（TCPC）循环）的有力候选者[3]。SCPC在中高温热源下表现出极高的热转换效率，并具有系统体积小和循环稳定性强的优点[4]；而TCPC在低温至中温热源下具有更高的效率，并能适应波动的操作条件[5]。因此，CO₂动力循环在核电发电[6]、太阳能热能[7]和工业废热回收[8]等多种应用中展现出巨大潜力。

热交换器是CO₂动力循环系统的关键组成部分，其性能直接影响整个循环的效率[9]。这类系统通常包含多种类型的热交换器，如加热器、再生器和冷却器[10]。由于CO₂至少在一侧作为工作流体，因此在本研究中统称为CO₂热交换器。用于与CO₂进行热交换的工作流体取决于具体的应用场景和操作要求。例如，在废热回收过程中，热交换发生在烟气与CO₂之间（[11]）；而在太阳能热能发电系统中，热交换涉及熔盐与CO₂[12]。因此，不同热流体与冷流体之间的传热特性存在显著差异。深入研究CO₂热交换器内热流体与冷流体之间的耦合传热机制，并基于此理解提升传热性能，已成为推进CO₂动力循环技术发展和工程应用的关键挑战。

目前，关于CO₂传热的综述文献已经相当丰富。Monjurul Ehsan等人[13]总结了超临界CO₂在水平管中的传热机制和流动行为，分析了传热性能下降的原因，并评估了现有相关性的适用性。Ma等人[14]回顾了CO₂热交换器的材料选择和制造技术，以及各种通道配置的热工水力特性。Liu等人[15]系统研究了超临界CO₂布雷顿循环中板式热交换器（PCHE）的传热和压降性能，并讨论了其工业可行性、技术成熟度和未来研究方向。Kwon等人[16]回顾了CO₂动力循环的紧凑型热交换器技术，详细介绍了五种代表性设计的发展和特性，并总结了相应的传热机制和相关性。Cheng等人[17]分析了操作条件对CO₂传热和压降行为的影响。总体而言，现有的关于CO₂传热特性的综述主要集中在四个方面：1）CO₂的独特热物理性质；2）由这些性质引起的特定传热现象，包括浮力效应和流动加速；3）不同操作条件和传热结构下的CO₂传热和流动特性；4）适用于CO₂的紧凑型热交换器的材料、制造技术和特性。

目前的综述主要关注CO₂的物理特性和传热特性。然而，CO₂热交换器的整体传热性能不仅受CO₂侧传热特性的影响，还取决于CO₂与对侧工作流体之间的耦合传热行为[18]。这一过程与热流体和冷流体之间的热物理性质差异密切相关[19]。据我们所知，目前尚无系统性的综述探讨不同应用场景下CO₂与各种工作流体之间的物理性质差异、相关的耦合传热机制及相应的性能优化方法。这种缺乏全面分析的情况在一定程度上限制了CO₂热交换器的合理选择和优化设计。

为解决这一问题，本文系统回顾了CO₂与六种代表性工作流体之间耦合传热性能的当前研究现状和关键挑战，总结了现有的优化策略和评估指标，并建立了一维模型来定量评估不同优化方法对CO₂热交换器性能的提升效果。本研究旨在回答四个核心问题：CO₂与各种工作流体之间的耦合传热性能存在哪些差异？这些性能差异的根本原因是什么？如何进一步改善耦合传热性能？所提出的性能提升策略的有效性如何？

本文的其余部分组织如下：

第2章总结了CO₂的热物理性质，并回顾了不同应用场景中使用的CO₂热交换器类型。选择了六种代表性的CO₂热交换器。

第3章分析了六种流体对之间的热物理差异，并回顾了它们耦合传热性能的当前研究现状和关键挑战。

第4章介绍了耦合传热性能的评估指标，并总结了相应的优化策略。

第5章建立了一维模型，定量分析了不同优化方法对六种流体对耦合传热性能的影响。

第6章总结了现有研究的局限性，并提出了未来研究方向的建议。

节选内容

CO₂的热物理性质

图1展示了CO₂的相图[20]。除了传统的固态、液态和气态外，当温度和压力超过临界点（T = 304.13 K，P = 7.38 MPa）时，CO₂会进入超临界状态[21]。液态CO₂与气态CO₂之间的转变被称为相变过程[22]，而液态CO₂与超临界CO₂之间的转变则称为跨临界过程[23]。这两种过程表现出显著不同的热力学特性

CO₂热交换器中耦合传热性能的当前研究现状

研究热流体与冷流体之间的耦合传热特性对于设计高效且紧凑的热交换器至关重要[42]。耦合传热性能不仅受一侧工作流体的热物理性质影响，还受两侧流体性质差异的影响。因此，当CO₂与不同流体进行热交换时，这些性质差异的变化会导致

评估指标

U表示总传热系数，计算公式如下[128]：$\frac{1}{U}=\frac{1}{h_c}+\frac{1}{h_h}$其中h_c表示冷侧流体的对流传热系数，h_h表示热侧流体的对流传热系数。需要说明的是，本文忽略了壁面的热阻。

h的定义如下[128]：$h=\frac{q}{A(T_w?T_{av}}$其中q、T_w和T_{av分别代表热流、壁面平均温度和流体平均温度。}

热交换器的结构如图所示

一维数值模型

在MATLAB中建立了一维数值模型，用于评估第4.2节中描述的优化方法对CO₂热交换器耦合传热性能的影响。一维模型的计算过程如图18所示。具体而言，首先根据冷侧流体的进出口焓值将热交换器划分为25个部分。

结论

本文系统回顾了CO₂热交换器的相关内容，强调了热流体与冷流体之间的热物理性质差异、耦合传热机制及相应的性能优化策略。建立了一维数学模型，使用整体耦合传热系数（U）和局部耦合传热系数（dU）作为评估指标，比较分析了不同优化方法的有效性

利益冲突声明

作者声明与所提交的工作无关的任何商业或关联利益冲突。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号52425602）和国家自然科学基金（编号52506036）的支持。