PCME辅助的热交换在太阳能多效蒸馏中的应用：在瞬态太阳条件下实现组件级别的热缓冲

《Desalination》：PCME-assisted heat exchange for solar multi-effect distillation: Component-level thermal buffering under transient solar conditions

　　米沙尔·阿尔塞赫利
沙特阿拉伯塔伊夫大学工程学院机械工程系，邮政信箱11099，塔伊夫，21944

摘要
太阳能驱动的多效蒸馏（MED）对短期辐照度波动非常敏感，这会导致进料温度不稳定、换热器效率下降以及偏离设计工况运行。现有的缓解策略主要依赖于外部热能储存，增加了系统的复杂性和资本成本。本研究提出了一种基于组件的潜热缓冲方法，通过集成一种相变材料乳液（PCME）来实现。这种以石蜡为基础的相变材料具有55-65°C的熔化范围，被选为与换热器的运行温度窗口相匹配。开发并验证了一个结合了能量学分析的年度瞬态模型。在典型的气象条件下，PCME配置将换热器效率从0.72提高到0.83（+15%），同时在变异性太阳输入下将出口温度波动减少了多达55%。结果，在相同的边界条件下，增益输出比（GOR）从8.92提高到9.86（+10.5%），单位体积的特定热能耗从64.8 kWh??降至58.1 kWh??（-10.3%）。在没有增加集热面积或外部热储存的情况下，年淡水产量增加了17.3%。换热器内的能量学损失减少了15-20%，表明除了增强能量传递外，还改善了热质量。研究结果表明，在组件层面嵌入潜热缓冲为太阳能海水淡化系统提供了一种紧凑且可扩展的替代方案。

引言
水资源短缺已成为21世纪最紧迫的全球挑战之一。目前有两到三十亿人面临严重的水资源短缺问题，预计到2050年，仅在城市地区这一数字就将达到24亿人，这主要是由于人口增长、工业化和气候变化的共同影响[1]。海水淡化已成为不可或缺的技术应对措施，全球安装的淡化能力已超过每天7000万立方米，并继续在水资源紧张的地区扩展，特别是在中东和北非（MENA）以及海湾合作委员会（GCC）国家[2] [3]。
在可用的海水淡化技术中，多效蒸馏（MED）占据着战略地位。与基于膜的过程不同，MED对进水盐度波动和污染前体的耐受性较高，所需的预处理最少，并且产生的蒸馏液总溶解固体含量极低（<10 ppm）[4] [5]。其基本的热力学架构通过多个 effects 的级联潜热回收，当设计合理且运行得当的情况下，可以将热能耗降低至40-80 kWh??/m3[6] [7]。这些特点使得MED特别适合与低品位和可再生热源结合使用，包括太阳能热能、地热流体和工业废热[8] [9]。
由于MED与太阳能热能的兼容性，在过去二十年里引起了广泛的研究。表1系统地分类了根据主要贡献领域划分的相关研究：MED热力学、太阳能MED系统集成、PCME热物理学或换热器增强。该文献地图旨在揭示各个研究方向的成熟度，更重要的是，揭示了它们之间的空白，即当前研究所解决的结构性差距。
第一个研究方向是MED热力学，已经非常成熟。El Dessouky和Ettouney [10]、Al-Fozan等人[11]以及Darwish [12]建立了前馈、并流和混合进料配置的严格稳态质量、盐分和能量平衡，以及沸点升高、非平衡修正和传热系数的验证相关性。Sharqawy等人[13]提供了目前普遍用于海水淡化建模的海水热物理性质数据库。最近，Malik等人[14]扩展了这一框架，包括了能量学损失映射和经济分析。然而，所有这些模型都假设热输入是恒定且不间断的；而在太阳能量波动的情况下，MED的瞬态偏离设计行为在分析和数值计算方面仍被忽视。
第二个研究方向是太阳能MED系统集成，已经取得了显著进展。Alsehli等人[15]提出了一种双罐显热储存配置，实现了24小时连续运行；Zhang等人[16]和Alhaj等人[17]分别展示了MED与聚光光伏/热系统和线性菲涅尔集热器的技术可行性。Sharaf、Nafey和García Rodríguez [18]对驱动MED的太阳能有机朗肯循环进行了能量学和热经济优化。Gholinejad等人[19]研究了太阳跟踪模式对MED性能的影响。Palenzuela等人[20]比较了多种CSP MED集成架构，而Saldivia等人[21]和Muftah等人[22]分别针对智利和利比亚的具体情况进行了案例研究。这些研究得出的共同结论是：系统级别的热能储存（TES），无论是显热储存还是潜热储存，是管理太阳能量间歇性的主要方法。然而，TES需要大量的资本支出，占用大量土地面积，并且无法完全抑制存储罐上游产生的短时间尺度（亚小时级）温度波动，这些波动会降低换热器的性能。此外，作为太阳循环和MED单元之间的关键接口，换热器本身几乎总是被视为一个具有恒定效率的黑箱，其瞬态动态和干预潜力被忽视了。
第三个研究方向是PCME热物理学和传热，在最近几年取得了快速进展。Inaba和Morita [23]提供了PCM乳液在盘管式双管换热器中行为的初步实验证据。Roy和Avanic [25]引入了适用于层流强制对流的PCM悬浮液的有效热容量方法，这一公式现在是该领域的标准。Shao等人[26]开发并表征了一种具有4-11°C相变范围的石蜡/水PCME（PCE 10），报告了其有效热容量、非牛顿粘度和压降。Cabaleiro等人[27]全面回顾了PCME的配方、热物理和流变性质以及过冷缓解策略。Dutkowski和Kruzel [28]系统地研究了封装PCM浆料的流动特性，指出了摩擦系数相关性的缺乏以及针对具体应用的液压评估的必要性。尽管有这些丰富的知识积累，PCME的应用仍然局限于暖通空调、电子冷却和冷藏领域；而热盐水淡化领域，作为一个迫切需要热缓冲的领域，尚未得到考虑。
第四个研究方向是使用PCM浆料增强换热器，这是最新兴的方向。Kruzel等人[31]和Dutkowski [32]实验研究了带有微封装PCM浆料的壳管式和板式换热器，报告了在增加压降的同时改善了瞬态热响应。Arsenyeva等人[33]回顾了单相应用中的板式换热器设计进展，强调了通过表面结构化增强传热的潜力，这一发现对于PCME应用尤为重要，因为剪切变稀行为会影响局部传热系数。Saleh等人[34]比较了多种PCM熔化过程的换热器模型，表明相关系数的选择显著影响预测的熔化速率，特别是在层流状态下。Shaukat等人[35]研究了带有PCME的微通道散热器的性能，报告称潜热吸收使峰值温度相比水冷降低了多达25%，证实了PCME在受限几何形状中的热缓冲能力。
最近在热能储存和传热流体方面的进展探索了多种材料和配置，旨在提高热性能。例如，混合纳米流体在与相变材料和多孔结构（如金属泡沫）结合使用时，显著提高了导热性、传热系数和能量储存性能[37]。这些改进使得太阳能热系统中的热传输更加高效，能量利用也得到了提升。
与此同时，先进绝缘材料和纳米复合材料的开发显示出减少热损失和提高系统耐用性的强大潜力。例如， reports指出，添加了天然纤维的氮化硼增强低密度聚乙烯复合材料表现出更好的机械强度和热阻[38]。同样，最近关于氮化硅增强镁合金和混合金属基复合材料的研究强调了材料选择和加工技术在实现高性能、热稳定组件中的重要性[39] [40]。
虽然混合纳米流体主要增强导热性和对流传热，但本研究的方法从根本上不同，它直接在传热流体中引入了分布式潜热储存。这使得在瞬态太阳条件下实现动态热缓冲成为可能，补充了基于导热性的增强策略，并为下游MED操作提供了更好的温度稳定性。
除了MED之外，最近在太阳能海水淡化方面的进展还包括将相变材料和先进光学材料集成到各种蒸馏装置中，以提高生产率和能源效率。F. L. Rashid等人[41]回顾了多级太阳能蒸馏装置的配置和前沿选项，强调了多级设计提高淡水产量的潜力。N. Mekki等人[42]对装有PCM填充方形鳍片的金字塔形太阳能蒸馏装置进行了全面的8E分析，证明了其热性能的显著提升。S. A. Kadhim等人[43]实验评估了添加了钢纤维的单坡度太阳能蒸馏装置，报告显示生产率和能源效率有所提高。A. K. Hussein等人[44]对球形太阳能蒸馏装置的创新进行了批判性回顾，强调了光学和热学的改进对提高蒸馏产量的作用。Al-Asadi等人[45]研究了管状太阳能蒸馏装置的创新，包括光学、热学和材料改进以获得更好的输出。A. K. Hussein等人[46]对球形太阳能蒸馏装置的设计创新进行了批判性回顾，总结了最近的进展。最近，Tiwari和Rathore [47]研究了集成热能储存的太阳能蒸馏装置的性能提升，展示了潜热储存对延长运行的好处。此外，Singh等人[48]在热带气候下对使用Pyrex玻璃量子点的太阳能蒸馏装置进行了实验和数值分析，表明量子点材料可以改善光学吸收和热性能。这些发展凸显了结合热储存和先进材料策略以缓解太阳能量间歇性的兴趣日益增长。虽然这些方法主要应用于太阳能蒸馏装置的系统或组件层面，但它们强调了热缓冲概念的更广泛潜力，在本研究中，热缓冲概念是在太阳能驱动的MED系统的传热流体层面实现的。
文献地图（表1）揭示了一个结构性空白：之前的研究尚未明确解决PCME辅助热交换在太阳能驱动的MED系统中的集成问题。这一空白反映了相变传热技术的进步与其在太阳能海水淡化系统中的应用之间的脱节。MED热力学是在稳定、不间断的热输入下建模的，而太阳能运行显然违反了这一条件，导致瞬态退化机制未被表征。太阳能-MED集成通过系统级别的热能储存来应对间歇性，将换热器视为被动组件，忽略了组件级别热缓冲的潜力。PCME热物理学已经证明了其减弱温度波动和提高有效热容量的能力，但仅是在孤立状态下进行的，从未与具有动态特性的热负荷结合使用。同时，换热器增强研究仅停留在换热器出口，没有将稳定的热信号传递到下游过程或量化其在系统层面的好处。
本研究位于这些研究领域的交叉点，旨在使用完全瞬态的数值框架来量化PCME的温度依赖性有效热容量对太阳能驱动条件下逆流换热器瞬态效率的影响。分析进一步评估了进料温度的稳定化如何影响增益输出比（GOR）、单位体积的特定热能耗（SEC）以及下游MED系统的运行连续性，相对于传统的显热运行。此外，还评估了热增强和液压损失之间的权衡，以确定太阳能驱动MED应用的最佳PCME配方和运行条件。
本研究开发了一个完全基于物理的瞬态数值框架，将三个关键组件整合在一个统一的建模方法中。这些组件包括：(i) 使用PCME作为传热流体的太阳能热收集器场；(ii) 解决PCME热物理性质和传热行为局部变化的离散化逆流换热器；(iii) 针对已发布数据进行验证并受每小时TMY3边界条件驱动的前馈MED模型（9个效果，首先为闪蒸效果）。每个子模型都独立地与同行评审的实验和数值研究进行了基准测试，以确保物理一致性和预测可靠性。这种结构化的耦合使得可以直接评估PCME相对于传统显热运行的影响，从而分离出潜热缓冲在控制系统性能中的作用。
通过故意排除外部热能储存，并保持相同的集热面积、流速和MED配置，分析 isolates 了PCME辅助热交换的机制贡献。研究结果首次提供了量化证据，表明在组件层面实施潜在的缓冲措施能够在系统层面实现与数小时合理储存相当的性能提升，而且所需的资本成本仅为后者的一小部分，并且不会增加额外的占地面积。

### 整体系统配置
所提出的系统是一种太阳能驱动的多效蒸馏（MED）装置，其中从太阳能源收集的热能通过PCME辅助的热交换器传递给海水淡化单元。该系统设计为在现实且随时间变化的太阳条件下运行，无需依赖专门的外部热能储存罐。相反，通过使用相变材料直接在热传递过程中实现了短期热缓冲。

### 模型验证与基准测试
第2.2至2.4节中开发的数值框架通过内部一致性检查、极限情况验证以及与已发表的关于太阳能驱动MED系统和PCME辅助热交换研究的基准测试相结合进行了验证。验证策略旨在确认该模型能够再现已知的热物理行为，并在考虑潜在热缓冲的情况下，得到的性能趋势与文献结果一致。

### 热交换器出口温度稳定性
图3展示了在相同的TMY3条件下，传统水和PCME辅助配置的热交换器海水出口温度（Tc,out）在典型一周（7月15日至21日）内的瞬态响应。PCME配置下的温度波动明显减少，标准差从4.7°C降至2.6°C（约45%），日温差从18.3°C缩小到9.8°C（约46%）。这表明在操作过程中热输出更加稳定。

### 结论与展望
本研究探讨了相变材料乳液（PCME）作为热传递介质在太阳能驱动的多效蒸馏（MED）系统中增强热传递效果的作用。结果表明，在实际太阳变量条件下，PCME显著提高了热稳定性，使热交换器出口温度的标准差降低了45-55%，日温差缩小了46%。

### 术语表
- AOL：总太阳能收集面积
- aream2A：集热器开口面积
- aream2Acol：总集热器面积
- aream2AHX：热交换器传热面积
- aream2Ai：预热器传热面积
- im2Apreh,i：预热器传热面积
- im2Ac：冷凝器传热面积
- a1,a2：集热器热损失系数（W·m?2·K?1）
- Bi：离开加热器的盐水质量流量（kg·s?1）
- Cmin：最小热容量率（W·K?1）
- Cp：恒压比热容（kJ·kg?1·K?1）
- Cp,base：PCME在相变外的比热容（kJ·kg?1·K?1）
- Cp,eff：PCME相变内的有效比热容

### 利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。

### 致谢
作者衷心感谢沙特阿拉伯泰夫大学的科学研究院对这项工作的资助。