再压缩循环条件下矩形微通道印刷电路换热器内超临界CO2流动与传热特性的实验研究

《The Journal of Supercritical Fluids》：Experimental Study on Supercritical CO? Flow and Heat Transfer in Rectangular Microchannel PCHE under Recompression Cycle Conditions

本文针对超临界二氧化碳（SCO2）布雷顿再压缩循环中低温回热器（LTR）运行温区（热侧入口温度373.8 K–423.4 K）内矩形微通道印刷电路换热器（RM-PCHE）性能数据匮乏的问题，通过实验研究了运行参数对其流动与传热性能的影响机理与规律。结果表明，SCO2入口温度对传热性能影响最显著，质量流量对压降影响最大。该RM-PCHE展现出优异的综合热工水力性能，为LTR的设计优化提供了重要理论和数据支撑。

　　

Highlight

测试样品

测试样品是一个由316L不锈钢制成的矩形微通道印刷电路换热器（RM-PCHE），如图1(a)所示。图1(b)显示了构成RM-PCHE的六种板片类型。板片1至5的尺寸（长×宽×高）为590 × 110 × 1 mm，通过堆叠组合它们，可以形成RM-PCHE的矩形通道。其中，热侧通道按照板片4-1-2-3-4的顺序堆叠组合，冷侧通道按照板片4-1-2-3-4的顺序排列堆叠。'*'表示...

数据折算

在本研究中，热侧SCO₂的放热率（Q_hot, W）和冷侧SCO₂的吸热率（Q_cold, W）分别通过公式(1)和(2)计算：

Q_hot= m_hot(H(T_hot,i, P_hot,i) ? H(T_hot,o, P_hot,o))

Q_cold= m_cold(H(T_cold,o, P_cold,o) ? H(T_cold,i, P_cold,i))

其中 H 代表SCO₂的焓值（kJ·kg^-1），可通过查询Nist Refprop 9.1根据测得的SCO₂温度和压力获得；下标'i'和'o'分别代表测试样品的入口和出口。

入口温度和操作压力对传热的影响

图5显示了不同压力（P）下，平均传热量（Q_ave）随入口温度（T_i）的变化。如图5(a)所示，Q_ave随着热侧入口温度（T_hot,i）和热侧压力（P_hot）的增加而逐渐增加。例如，当P_hot为8.0 MPa，T_hot,i从373.8 K增加到423.4 K时，Q_ave从6092.7 W增加到9557.1 W（增加了56.9%）。同时，当T_hot,i为373.8 K，P_hot从8.0 MPa增加到9.0 MPa时，Q_ave从6092.7 W增加到7085.3 W（增加了16.3%）。这主要是因为当冷侧入口温度（T_cold,i）恒定时，温差...

结论

为探究运行参数对SCO₂布雷顿再压缩循环低温回热器流动与传热特性的影响，本文以矩形微通道印刷电路换热器（RM-PCHE）为测试样品进行了实验研究。实验的最高温度、压力和质流量分别为423.4 K、19.0 MPa和310 kg·h^-1。主要结论如下：

(1) 测试样品的Q_ave、总传热系数（UA）、效能（ε）和压降（ΔP）的实验不确定度分别为2.0%、2.1%...