采用液相分离技术在紧凑式换热器中强化CO?冷凝以适用于广泛的工业系统

《International Journal of Heat and Mass Transfer》：Condensation enhancement of CO 2 with liquid-phase separation technique in compact heat exchanger for extensive industrial systems

　　

•提出了一种用于CO?冷凝的被动液相分离锯齿形PCHE。
•弯曲处产生的压差驱动冷凝液被动排出。
•级联排水可减轻液泛现象，使总传热提高7.25%。
•上游处直径d?=0.5 mm的排液孔可使传热提高7.31%。
•倾角θ?=60°时传热最大化，同时Fanning摩擦因子最小化。

## 引言

向低碳和高效能源系统的转型推动了先进能源储存、发电、碳管理、地热利用以及强化工业过程的发展。CO?越来越多地应用于压缩CO?储能[1, 2]、S-CO?布雷顿循环[3, 4]、S-CO?萃取与升级工艺[5]、碳捕集利用与封存[6, 7]以及CO?基地热利用技术[8, 9]等领域。尽管这些应用目的不同，但它们共同涉及高压CO?压缩、输送、加热、冷却，在某些情况下还涉及液化或近临界冷凝。因此，有效的热管理对于提高系统效率、运行稳定性和设备紧凑性至关重要。在涉及排热或相变的系统中，气体冷却器、冷凝器和预冷却器尤为重要，因为它们的热水力性能直接影响能耗、压降和系统级效率[10]。这些工况要求换热器紧凑、热效率高、流动阻力低，并具备足够的结构完整性以满足高压运行需求。

在可用的紧凑型换热器技术中，印刷电路热交换器（PCHE）尤为适合，因为其化学蚀刻微通道和扩散焊合板提供了高换热面积密度和优异的结构完整性[11-15]。Liu等人[16]实验研究了直通道PCHE的热水力性能，为评估紧凑型高压换热器的传热和流动阻力提供了基础数据。Chen等人[17]综述了超临界CO?在PCHE中的热水力特性和动态行为。为强化传热，锯齿形通道通常被采用，因为反复的流动偏转破坏了热边界层并增强了流体混合。基于这一概念，Liu等人[18]提出了一种改进的锯齿形PCHE用于S-CO?布雷顿循环，并展示了通道几何优化在强化传热的同时控制相关压降惩罚的潜力。更一般地说，近临界点处强烈的热物性变化使得CO?传热对浮力和流动加速效应非常敏感。Liu等人[19]提出了评估垂直管中这些效应的改进参数。然而，大多数现有PCHE研究都集中在单相加热或冷却上。在近临界冷凝条件下，液膜的形成和积累引入了额外的热阻和复杂的双相流动行为。Hu等人[20]表明，在锯齿形微通道中，随着汽相品质降低，冷凝可以显著偏离常规关联式，这凸显了专用冷凝液管理策略的必要性。

高压冷凝微通道中导致传热退化的机制受到了研究界的广泛关注。Bandhauer等人[21]构建了高精度微通道冷凝实验装置，基于精确测量和流场建模，证明在受限冷凝环境中，主导热阻几乎完全来自通道壁上积累的液膜。对于更复杂的内部传热通道，Baik等人[22]对CO?在锯齿形微通道中气态、液态和超临界条件下的热水力性能进行了全面的实验和CFD研究。他们的研究结果共同证实，在复杂微通道几何中，在离心力和轴向剪切应力的共同作用下，气液两相之间会发生显著的界面滑移，导致弯曲区域和低速区域内冷凝液严重局部积聚。在对低沸点工质微通道流动阻力特性的系统评估中，Jie等人[23]进一步阐明，两相混合物在受限通道中所称的"液泛"现象不仅导致对流传热系数的急剧恶化，而且随着滞留液膜收缩中心高速气芯，界面摩擦加剧，导致压降过度上升。因此，这一问题已成为限制现代高压预冷却器设计的关键物理瓶颈。

为解决微通道冷凝过程中严重的液膜积累和部分堵塞问题，人们研究了众多被动传热强化方法，但每种方法都有其特定的实际局限性。如图1所示，Alnaimat等人[24]和Ge等人[25]证明翅片结构可以通过扰动流场和改变液膜行为来强化冷凝。然而，它们的附加堵塞效应和翅片间的液体积累可能会增加两相压降，从而限制了其在紧凑型PCHE中的应用。同时，由于近临界CO?冷凝中热物性变化的剧烈，传统表面工程技术面临重大挑战。Monga等人[26]提出了超滑粗糙表面（SRS）以增强膜状冷凝；然而，在高润湿和低表面张力条件下，其效果有限。Zhao等人[27]进一步证明，超低表面张力促进了毛细驱动的液膜铺展，削弱了基于微/纳米结构表面的液滴去除机制。因此，这些方法在调控近临界CO?冷凝中的液体积累方面仍然难以应用。

由于液膜热阻难以直接降低，相分离作为一种冷凝液管理方法已显现出前景[28]。其原理是将高阻力液态冷凝物从主要传热区域移除，从而维持以薄膜为主导的冷凝模式。Pu等人[29]通过引入道间气液分离，展示了该策略在多道冷凝器中的有效性，平均传热系数提高了9.1%，总压降降低了50.4%。Li等人[30]进一步验证了在高压条件下利用离心旋流进行气液分离的可行性。此外，Liu等人[31]提出了一种双层网状-微槽结构，如图2所示，该结构通过非对称表面结构实现冷凝液的自发脱附和定向输送。然而，大多数现有的相分离方法依赖于额外部件或复杂结构，使其难以直接集成到紧凑型锯齿形PCHE中。

为克服现有传热强化策略在近临界和高压冷凝条件下的技术局限，本文提出了一种完全集成的被动驱动带排液孔的锯齿形通道。该结构不依赖复杂的外部部件，通过利用通道弯曲处的固有离心力场和局部压差，实现冷凝液的高效分离和连续排出。本研究进行了数值模拟，系统地阐明了这一新型结构如何调控近临界CO?的两相分布，并全面评估了其在传热强化和压降控制方面的热水力性能。本研究有望为下一代适用于超临界动力循环的紧凑型高效冷凝器的优化提供理论基础和设计指导。

### 弯曲诱导的相重新分布

在锯齿形通道中，两相流体的流线通过弯曲处时会经历突然偏转。由于两相之间显著的密度差异（即使在近临界区域，液体密度也显著高于汽相密度），弯曲处会诱导产生强离心力场。根据流体力学原理，作用在液滴或液膜上的离心力Fc可用公式(1)表示：

Fc = ρVu2/R

其中，R表示局部曲率半径，ρ表示流体密度，V表示流速，u表示切向速度。

### 控制方程与湍流模型

在本研究中，采用了流体体积（VOF）多相模型来捕捉锯齿形通道内的气液界面和相分布。VOF模型假设两个相是不混溶的，并共享相同的动量方程和能量方程。通过求解第二相体积分数连续性方程来实现界面追踪，表达式为：

?(αlρl)/?t + ?·(αlρlu→) = ?vl

其中，αl、ρl和u分别表示液相体积分数、液相密度和混合物速度。

### 场信息分析

常规锯齿形微通道内的冷凝过程如图12所示。随着轴向冷凝的进行，汽相不断冷凝为液相，导致液相体积分数总体呈上升趋势，如图13(a)所示。然而，液相体积分数的增加并不均匀分布在通道截面上。通过化学蚀刻制造的PCHE通常具有平顶、半圆形的通道截面。

## 结论

本研究提出了一种完全集成的被动驱动带排液孔的锯齿形印刷电路热交换器（PCHE），以缓解近临界CO?冷凝过程中的液膜积累和液泛现象。通过三维瞬态数值模拟揭示了相分离机制并评估了其对整体热水力性能的影响。主要结论总结如下：

(1) 被动相分离机制：通过耦合……

## 符号表

- A — 对流传热面积，m2
- Cp — 比热容，J kg?1 ℃?1
- ds — 导热等效距离，m
- D — 直径，m
- f — Fanning摩擦因子，无量纲
- G — 质量流量，kg s?1
- h — 焓，J kg?1
- HTC — 对流传热系数，W m?2 K?1
- k — 流体热导率，W m?1 K?1
- L — 通道长度，m
- Gm — 质量流密度，kg m?2 s?1
- Nu — 努塞尔数，= HTC D / k
- P — 压力，Pa
- ΔP — 压降，Pa
- Pit — 截面节距，m
- Pr — 普朗特数，= μCp/k
- Q — 传热量，W
- Re — 雷诺数，= ρuD/μ

## CRediT作者贡献声明

- 吴怡航：原稿撰写、数据管理、调查研究、方法学。
- 费俊杰：调查研究、方法学。
- 刘生辉：审阅与编辑、方法学、概念化、项目管理。
- 龚厚钧：方法学、监督。
- 黄艳平：方法学、监督。
- 朱小亮：方法学、监督。

## 利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

## 致谢

本研究得到国家自然科学基金（编号：12575171, U25B20171）、江苏省研究生研究实践创新计划（26CXJH0554）、江苏省科学技术协会青年英才托举计划（编号：JSTJ-2025-201）以及江苏省"青蓝工程"高校青年骨干教师项目的资助。特此致谢。

吴怡航 | 费俊杰 | 刘生辉 | 龚厚钧 | 黄艳平 | 朱小亮