用于太阳能蒸馏器的球形封装相变材料的热性能分析：熔化动力学与传热优化

《Energy Conversion and Management》：Thermal performance analysis of phase change materials in spherical encapsulation for solar still applications: melting dynamics and heat transfer optimization

提升太阳能蒸馏器效率的相变材料研究及纳米增强效果分析

　　
该研究聚焦于通过纳米增强相变材料（PCMs）优化太阳能蒸馏器的热性能。研究团队在印度比卢阳光合科学大学机械工程系进行了系统性实验与数值模拟，针对球形封装的九种不同PCMs（包括商业常用材料RT-28/35/38、脂肪酸类、无机盐类以及纳米复合型材料）展开对比分析，揭示了材料特性与热力学行为之间的关键关联。

研究背景方面，全球仍有数亿人口面临安全饮水短缺问题，尤其在干旱和偏远地区，传统太阳能蒸馏器存在蒸发效率低、热损失大、依赖晴好天气等瓶颈。现有文献虽证实PCMs能提升太阳能蒸馏器性能，但缺乏对材料特性与封装形态的系统性研究。特别在纳米复合PCMs领域，现有研究多针对单一材料体系，缺乏横向对比。

研究采用计算流体力学（CFD）模拟结合实验验证的方法，构建了二维圆形几何模型模拟球形封装PCMs的熔化过程。通过5000秒的动态模拟，重点考察了材料完全熔化时间、单位时间吸热量等关键指标。研究发现：纳米增强RT-28（M7）在熔化速度和热储存量方面表现最优，完全熔化时间较基体材料缩短42%，单位时间吸热量提升达68%。其他纳米复合材料（M8、M9）虽存在吸热效率梯度差异，但普遍较对应基体材料（M1、M2、M3）表现出更优的相变动力学。

材料筛选方面，传统PCMs中RT-28（石蜡基）因稳定的相变点和成熟的制备工艺成为基准参照。脂肪酸类（如 Lauric Acid）展现优异的热稳定性，但存在导热性不足的问题。无机盐类（如CaCl?·6H?O）虽具有高潜热值，但熔化速率较慢且存在吸湿性问题。纳米复合材料的突破性体现在：2%体积比的Fe?O?纳米颗粒通过形成导热网络结构，使RT-28的导热系数从0.23 W/m·K提升至0.37 W/m·K，熔化时间缩短至8.2分钟（基体材料为14.5分钟）。

研究创新性体现在：首次建立包含有机/无机材料及纳米复合材料的九种PCMs对比数据库；提出球形封装几何参数与材料热物性之间的优化匹配模型；通过CFD模拟揭示纳米颗粒的粒径分布（20-50nm）、表面包覆材料（SiO?）对热传导的协同增强作用。实验数据与模拟结果误差控制在3%以内，验证了模型的可靠性。

关键发现包括：1）纳米颗粒的添加使所有PCMs的熔化速率提升15%-60%，其中RT-28-MNP达到基体材料的三倍；2）相变潜热与材料导热系数呈负相关，但纳米复合材料的导热系数提升弥补了潜热损失；3）球形封装的径向导热模式使材料利用率达92%，优于传统平板封装的78%；4）RT-28-MNP在完全熔化后仍能维持85%以上的吸热效率，较传统材料延长4小时有效储能期。

应用前景方面，研究为太阳能蒸馏器设计提供了材料选型指南：在光照充足的地区优先选用高潜热无机盐（如CaCl?），而在昼夜温差大的区域则适合石蜡基纳米复合材料。建议未来研究可探索多组分纳米复合体系（如Fe?O?/Al?O?混合纳米颗粒），以及封装材料与PCMs的热膨胀系数匹配问题。该成果已获得印度政府SPARC Phase-III项目资助，为后续国际合作研究奠定了基础。