超临界CO2印刷电路板式换热器紧凑度优化研究：热工水力性能与成本效益分析

为提升超临界CO2（sCO2）布雷顿循环系统的紧凑性，研究人员提出紧凑度达2500-5000 m2/m3的直通道与非对称翼型通道印刷电路板式换热器（PCHE），通过数值模拟建立Nu和f因子关联式，发现5000 m2/m3翼型通道传热最优，2500 m2/m3直通道成本最低，为高集成度能源系统设计提供关键数据。

　　

随着全球能源需求激增和环境问题加剧，开发高效紧凑的动力循环系统成为迫切需求。超临界二氧化碳（sCO₂）布雷顿循环因其效率高、体积小的优势，在核能、太阳能等领域展现出巨大潜力。然而，该系统核心设备——印刷电路板式换热器（PCHE）的体积占比过高，其成本超过系统总成本的50%，成为制约系统紧凑化的瓶颈。当前PCHE的紧凑度普遍低于2000 m²/m³，导致20 MW级系统中回热器体积达18.95 m³，远超涡轮机等部件。如何通过结构创新提升PCHE紧凑度，同时平衡热工性能与经济性，成为亟待解决的科学问题。

针对这一挑战，中国科学院研究人员Cang Tong、Keyong Cheng等开展了突破性研究。他们设计紧凑度达2500 m²/m³和5000 m²/m³的直通道与非对称NACA6413翼型通道PCHE，通过计算流体力学（CFD）模拟揭示sCO₂在微细通道内的流动传热规律，建立雷诺数4000-16000范围内的Nu和f因子关联式，并基于此完成回热器的一维设计模型与成本评估。相关成果发表在《The Journal of Supercritical Fluids》，为下一代高密度能源装备研发奠定理论基础。

研究采用三大关键技术：1）多物理场耦合数值模拟，对比分析不同紧凑度通道的热工水力性能；2）基于实验数据的关联式建模，建立Nu和f因子与雷诺数的定量关系；3）全生命周期成本分析模型，综合评估材料、制造与运行能耗成本。研究样本来源于典型sCO₂循环工况参数，工作压力7.5-20 MPa，温度300-800 K。

物理模型和网格
通过对比1250-5000 m²/m³五种通道结构发现，矩形通道虽传热最佳但阻力最大。高紧凑度（5000 m²/m³）使通道当量直径缩小至亚毫米级，显著增强壁面扰动效应。

热工水力性能对比
加热工况下，5000 m²/m³翼型通道Nu数较传统结构提升47%，得益于其流线型设计减少流动分离；而2500 m²/m³直通道摩擦因子降低62%，成为液压性能最优选。

PCHE概念设计
一维模型计算显示：将紧凑度从1250提升至5000 m²/m³可使回热器体积缩减68%，但压降增加3.2倍。成本分析表明2500 m²/m³直通道总成本最低，较基准降低21%，而5000 m²/m³翼型通道因加工难度导致成本增加35%。

该研究首次系统论证了PCHE紧凑度与性能的量化关系：1）翼型通道通过延迟流动分离实现高效传热，5000 m²/m³结构在加热工况下Nu数达128；2）紧凑度提升虽减小体积但加剧熵产，需在2.5-5%泵功增加与30-70%体积缩减间权衡；3）成本最优解存在于中等紧凑度（2500 m²/m³），为工程应用提供明确设计窗口。这些发现不仅推动sCO₂循环系统向微型化发展，其建立的微通道传热关联式更可拓展至燃料电池、芯片冷却等领域，具有重要科学价值与工程指导意义。