提升半球形太阳能蒸馏器生产力：集成Cu-NPs涂覆螺旋管吸收器、再生多孔填充材料与光伏系统驱动纳米流体-螺旋管集热器的协同增效

《Separation and Purification Technology》：Productivity enhancement of hemispherical solar distillers using spiral tube absorber coated with Cu-NPs integrated with recycled porous filler materials and nanofluid-spiral tube collector powered by PV system

本实验研究通过集成再生多孔金属填充料、Cu-NPs涂覆螺旋管吸收器和光伏驱动CuO-水纳米流体循环，系统性地提升了半球形太阳能蒸馏器的淡水生产力与热力学性能。结果显示，采用铝屑填充的改进配置，日产水量（8.87?L?m-2?day-1）较传统蒸馏器提升115.6%，能量效率（ηenergy）与?（Exergy）效率（ηEx）分别达48.7%和2.71%。该研究为干旱地区提供了一种低成本、高效率的太阳能海水淡化（Solar Desalination）增强策略。

　　

研究亮点 (Highlights)

本研究的亮点在于通过创新的材料整合与系统设计，显著增强了半球形太阳能蒸馏器的分离性能。研究重点考察了多孔金属填充物和纳米流体辅助主动加热如何协同工作，改善蒸发-冷凝机制，而不只是单纯提高热能效率。

实验装置 (Experimental test rig)

实验装置由一个直径50厘米、厚度3毫米的透明半球形玻璃罩构成。其下方为一个平坦的圆形不锈钢盆（直径45厘米，厚2.5毫米，深5厘米，投影面积0.159?m²），并配有5厘米厚的玻璃棉隔热层。一个狭窄的不锈钢通道附着在盆内上缘的圆周上，用于收集在半球形罩倾斜内表面形成的凝结水，并将其引导至外部容器。

传质与相分离机制分析 (Mechanistic analysis of mass transfer and phase separation)

从分离科学的角度看，太阳能蒸馏器中的海水淡化过程受控于控制蒸汽产生、传输和冷凝的耦合热质传递机制。在传统蒸馏器中，蒸发受到停滞的液-气界面和微弱自然对流的限制，导致蒸汽通量低且相分离效率差。在本系统中，在螺旋管吸收器周围引入多孔金属填充物从根本上改变了盆内的流体动力学。填充物作为高导电性矩阵，促进了径向和轴向的热扩散，有效扩大了蒸发界面面积。这种增强作用促进了液-气相界面的持续更新，显著改善了蒸汽生成动力学。同时，通过螺旋管循环的CuO纳米流体（0.05?wt%）提供主动加热，稳定了盆内的蒸汽通量。这种纳米流体的高热导率和表面积加速了热能从吸收器到盐水的传递。此外，纳米颗粒在冷凝表面的沉积可以增强成核位点，从而优化相分离过程的分离效率。总而言之，填充物通过延长蒸发阶段来增强蒸发作用，而纳米流体循环则确保在整个盆内产生更均匀的蒸汽，从而驱动更高纯度的淡水生成。

产出增益比 (Gain output ratio)

产出增益比 (GOR) 对于评估太阳能蒸馏器在水蒸汽产生方面的效能至关重要。GOR衡量了在蒸馏过程中回收所释放潜热的效率。GOR可以定义为蒸发过程中显热的增益与一段时间内太阳辐照功率增益之比。这表明，GOR越大，内部能量收集系统在利用热能产生蒸汽方面就越有效。

结果与讨论 (Results and discussions)

观察到的淡水产量提升应被解释为蒸发-冷凝分离机制的直接增强，而非仅仅是热增益。多孔金属填充物增加了有效的蒸发界面，并促进了连续的液-气相更新，而螺旋管吸收器确保了蒸汽在整个盆内的均匀产生。同时，纳米流体辅助的热量传递稳定了蒸汽通量，并增强了冷凝表面的冷凝驱动力，从而优化了整体分离性能。

经济性评估 (Economic evaluation)

蒸馏技术的进步取决于能否同时实现高生产力和经济可行性，特别是对于长期运行而言。淡水生产成本很大程度上受诸多因素影响，例如资本投资、运营和维护、资本回收以及年水产量。

每1?kg?m²的蒸馏水成本 (WDC) 由下式给出：

WDC = TYE / (m?_d× N_d)

其中 N_d为装置一年中的工作天数（300天）。

年总支出 (TYE) 包括……

结论 (Conclusions)

本研究在沙特阿拉伯麦地那的真实气候条件下（2025年9月），评估了三种半球形太阳能蒸馏器配置的性能：采用平板吸收器的传统基线蒸馏器 (THSS)、集成了不锈钢屑环绕的CuO-NPs涂覆螺旋管及光伏驱动CuO纳米流体（0.05?wt%）循环的配置 (HSD-NSP&ST)，以及采用铝屑的配置 (HSD-NSP&AL)。这些混合设计协同利用了多孔填充物的热存储与传导特性以及纳米流体增强的主动加热。结果表明，采用铝屑的配置性能最优，日产水量达到8.87?L?m^-2，比传统蒸馏器提高了115.6%。该配置的能量效率 (η_energy) 和?效率 (η_Ex) 分别达到48.7%和2.71%，同时产出增益比 (GOR) 为0.55。这些改善归因于改善的盆内热分布、延长的蒸发时间和增强的传质特性。研究证明，将再生多孔金属填充料与纳米流体辅助的螺旋吸收器相结合，为改善干旱地区的太阳能海水淡化性能提供了一种有效、低成本的策略。