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以超臨界二氧化碳（S-CO?）為代表的新型超臨界流體正以其獨特優勢，在制冷、發電、儲能等領域拓展應用，推動世界能源體系變革。通過在CO?中添加第二組分形成混合工質，可以有效調節其熱物性、降低循環應用的壓力、提高效率。
工程熱物理研究所傳熱傳質研究中心基于S-CO?循環試驗臺，開展了S-CO?基混合工質加熱和冷卻工況的流動傳熱特性試驗。該試驗臺設置了S-CO?基混合工質—高溫導熱油/中溫熱水蓄熱回路，是國內極少數可以同時完成S-CO?基混合工質加熱、冷卻、蓄熱試驗的多功能平臺。圖1展示了該試驗平臺。平臺操作壓力0.4~15 MPa，操作溫度6℃~260℃，最高加熱功率120 kW。
圖1 S-CO?基混合工質循環試驗系統
研究團隊開展了CO2-N2和CO2-R1234ze(E)等混合工質在超臨界狀態下的加熱、冷卻及蓄熱試驗，獲得了多種操作條件下工質在各種管段和管徑下的流動傳熱數據。目前全系統已穩定運行2000個小時，各部件均可達預定最高參數。在CO?-N?的加熱試驗中，研究團隊發現N2的引入能改變工質的熱物性分布，即使是少量添加劑也會顯著影響局部傳熱特性；在混有1.7%的氮氣時（摩爾混合比），混合工質相較于純CO?在試驗條件下傳熱在多數位置明顯增強，而質流密度、熱流密度和壓力對混合工質傳熱性能的影響規律與純CO?相似。圖2展示了CO?-R1234ze(E)質量混合比例為80%/20%時加熱的對流換熱系數變化規律。研究結果表明，提高進口溫度將強化工質入口段傳熱而削弱工質出口段傳熱；提高進口壓力對傳熱性能的影響在流體溫度高于擬臨界溫度時不再顯著；提高熱流密度使得混合工質傳熱出現了惡化。
圖2 混合工質加熱時局部對流換熱系數變化規律
本研究得到了中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊項目（YSBR-043）支持，系列研究成果發表在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。
基于該系統的系列試驗分析，能夠獲得到混合工質在加熱、冷卻過程中的特殊流動傳熱現象、篩選合適的混合工質及其配置比例，為S-CO?基混合工質在制冷、發電、余熱回收及長時大規模儲能等實際工程中應用提供支撐。
