一种采用创新性网状增强气泡柱加湿器和热电除湿器的HDH海水淡化系统实验研究

《Desalination》：Experimental study of an HDH desalination system with an innovative mesh-net-enhanced bubble column humidifier and a thermoelectric dehumidifier

　　

•提出了面向HDH系统的网状网增强型鼓泡柱加湿器。
•持续的泡破碎提升了界面面积。
•加入网状层使淡水产量提高2–15%。
•最佳气流量发生偏移，拓宽了有效运行区间。
•制水成本降低最多可达10–15%。

引言

淡水资源正变得越来越难以获取，这并非因为地球缺少水，而是因为大部分水并不能直接使用。海水淡化提供了一种切实可行的途径，可将丰富的咸水资源转化为可靠的饮用水，尤其在传统水源有限或紧张的沿海和干旱地区。除了保障供给之外，它还能增强系统的韧性，降低对降雨的依赖，并帮助社区应对不断增长的用水需求和气候变率。

加湿–除湿（HDH）海水淡化的工作原理非常直观：水被蒸发进入气流中，随后通过冷却该气流来回收水分，类似于一个受控版的天然水循环。HDH的吸引力在于其简单性与灵活性。它可以利用太阳能或余热等低品位热源运行，使用相对简单的部件，并且非常适合中小规模应用。正因如此，HDH系统可部署在偏远或无并网区域，为传统大规模海水淡化不可行之处提供一种切实可行的、注重节能的淡水生产方案。

尽管结构简易，HDH海水淡化仍存在若干挑战。其中一个主要局限是其整体效率相较于大规模技术偏低，主要因为循环内热量并未总能被有效回收。该系统对运行条件也很敏感：空气或水的温度与流量发生微小变化，就可能会对性能产生明显影响。此外，由于需要同时进行传热与传质，设计较为精细，而在保持运行稳定的同时实现系统放大也并非易事。另一个实际关切是，如果加热器和除湿器等部件未被仔细优化，可能会增加能耗。还有一个尤为重要的局限在于加湿阶段：要实现较高的加湿效率，通常需要更大的接触面积或更长的停留时间，这往往意味着更大的设备，从而在性能与紧凑性之间形成设计权衡。因此，在不增大系统尺寸的前提下改进加湿过程极具价值，它能直接提升产量，同时保持系统简单、紧凑，更便于实际应用。

在HDH海水淡化中，人们已经探索了多种加湿方式，每种方式都在简易性与性能之间各有权衡。喷淋塔是最直接的方法之一，通过将水分散成细小液滴来增加与空气的接触，但液滴夹带和分布不均会限制效率。填料塔式加湿器使用规整或散装填料材料提供大面积湿润表面，改善传质，但通常会引入压降，并带来结垢或结垢堵塞等维护问题。鼓泡柱式加湿器则依靠向水柱中注入空气，实现直接的气–水相互作用，结构简单、成本低廉。其他变体，如降膜式和湿壁式设计，旨在形成薄水层以增强蒸发，但通常需要精确控制流量分布。这些技术都体现了界面面积、能耗与系统复杂性之间的权衡，因此改进鼓泡柱等较简单构型的效能仍然是一个颇具吸引力的研究方向。图1展示了HDH系统中加湿过程主要技术的总体概况。

鼓泡柱式加湿器之所以具有吸引力，主要在于其结构简单以及空气与水之间的直接接触。通过向水中注入空气，形成大量气泡，产生移动的界面，从而同时促进传热与传质。该系统相对容易建造，没有复杂的内部结构，并能有效利用低品位热源。由于与填料式系统相比，可堵塞或结垢的部件更少，它在运行上也更加稳健。随着气流量增加，混合效果改善并生成更多气泡，这可以增强加湿过程。

与此同时，该方法也存在一些实际局限。其中一个主要挑战是气泡行为：气泡上升过程中倾向于聚并、形成更大的气泡，从而减少总界面面积并削弱整体传质过程。另一个问题是它对水柱高度的依赖。较高的水柱虽然能增加接触时间，但同时也要求更高的空气注入压力，导致泵送功率和能耗上升，从而在性能与能耗之间形成权衡。此外，在整根柱内实现均匀的气泡分布也并不总是容易做到，尤其是在较高流量下。这些局限凸显了对相关策略的需求：既要维持小而分布均匀的气泡，又要保持系统紧凑和节能。以下是近期关于HDH海水淡化（包括采用鼓泡柱式加湿器）研究工作的总结。

Saroukolaei等[1]实验研究了一套与浸没式水源热泵耦合的鼓泡柱HDH海水淡化系统。其构型通过在系统内将冷凝器与蒸发器相结合，减少了对独立换热器的需求。结果表明，产水量和GOR（增益系数）随水温、气流和水柱高度的提高而提升，而盐度升高则降低性能。

Pourghorban等[2]研究了HDH海水淡化系统中采用不同气体分布器设计的鼓泡柱式加湿器性能。他们表明，分散器几何形状显著影响气泡特征和加湿性能，其中H形切口和多孔设计因界面面积增加而带来更高的湿度比。结果还表明，较高的水温和水柱高度以及较低的气速能够提升加湿效率。

Patel等[3]对与热电除湿器耦合的鼓泡柱HDH海水淡化系统进行了理论与实验相结合的研究。结果表明系统性能强烈依赖于运行条件，如空气和水的温度、空气流量以及水柱高度，最大淡水产量约为13 L/天，GOR为0.8。

Patel等[4]对与热电除湿器耦合的鼓泡柱HDH系统进行了实验、理论及经济分析。结果表明，系统产量强烈受运行参数影响，如空气和水的温度、空气流量和水柱高度，最大产量接近13 L/天。经济评估显示制水成本相对较低，回收期较短，凸显了该系统的实用性。

Rehman等[5]实验研究了用于HDH海水淡化的太阳能驱动鼓泡柱式加湿器，重点优化穿孔板设计和运行条件。结果表明，蒸汽密度随水温和气速的提高而增加，而通过合理选择水柱高度和气流，压降可降至最低，凸显了平衡性能与能耗需求的重要性。

Rajaseenivasan等[6]研究了与不同太阳能集热器集成的鼓泡柱HDH海水淡化系统，包括常规型和扰流强化型设计。结果表明，提高空气和冷却水流量可显著提升系统性能，而采用双重用途太阳能集热器可提高空气温度，进而带来更高的产量和GOR，在最优条件下达到3.3。

Eder等[7]实验分析了鼓泡柱系统中的空气加湿过程，强调了流动特性和运行条件的作用。结果表明，增加气速和液位可提升加湿性能，而光学观测则凸显了流动行为在理解与改进鼓泡柱效率方面的重要性。

Eder等[8]通过实验与建模方法研究了鼓泡柱式加湿器中的传热与传质特性。他们表明，传热与传质系数随气速和水温提高而增大，而盐度升高会降低出口湿度。该研究还提供了效率图和关联式，以支持鼓泡柱式加湿器的优化设计与运行。

Srithar等[9]分析了太阳能驱动鼓泡柱HDH海水淡化系统的性能，重点考察了空气预热和运行条件的影响。结果表明，集成太阳能空气加热器并使用扰流器可显著提升加湿效果，带来更高的湿度增益和更好的淡水产量。

Elminshawy等[10]开发并实验评估了一种新型浮动式HDH海水淡化系统，其中采用了空气鼓泡和浸没式除湿器。结果表明，增加空气鼓泡能显著提升淡水产量，改善能效并减少碳排放，展示了浮动式HDH系统在可持续制水方面的潜力。

Alrbai等[11]利用CFD和热力学分析研究了喷嘴位置和几何构型对HDH系统性能的影响。结果表明，底部喷嘴构型和圆柱形几何有利于传热与传质，带来更高的湿度比、更低的压降以及更好的系统整体效率。

Ziauddin等[12]提出了一种引入超声波雾化器以增强加湿过程的太阳能驱动HDH海水淡化系统。使用暴露于直接太阳辐射下的细液滴可提高蒸发速率并增加淡水产量，凸显了雾化作为提升紧凑型海水淡化系统加湿器性能的有效替代方法。

Li等[13]研究了采用中空纤维膜加湿器的太阳能驱动HDH海水淡化系统。其研究表明，基于膜的加湿可实现高纯度水生产，且电耗相对较低，因为太阳能提供了系统所需的大部分能量。研究还强调，需优化空气流量、盐水流量和膜堆积密度等参数，才能实现稳定高效的运行。

Zarei等[14]提出了一种基于盒式塔盘的HDH海水淡化系统，以改进气–水接触和整体效率。其实验与优化研究揭示，集成塔设计在保持紧凑构型的同时提升了热性能，通过对温度和流量条件的仔细控制，使淡水产量和GOR达到优化值。

Zhu等[15]开发了一种由船用柴油机余热驱动的两级HDH海水淡化系统，旨在空间受限条件下提高能源利用。通过结合双热源和级联用能，系统取得了更好的热经济与经济性表现，结果表明合适的水–气质量比和进料条件是最大化效率、最小化淡水生产成本的关键。

Du等[16]探索了基于机器学习的数字孪生框架在优化太阳能HDH海水淡化系统性能方面的应用。通过实现实时控制和多目标优化，该方法显著提高了淡水产量并降低了能耗，展示了智能控制策略在提升HDH系统运行方面的潜力。

Fares等[17]对由聚光光伏/热单元供电的混合HDH–反渗透海水淡化系统进行了技术–?–经济评估。分析表明，整合热能与电能可显著提升淡水产量并降低能耗与成本，尽管在能源供给单元中发现了主要的?损，强调了混合系统内更好能源管理的必要性。

Elgendy等[18]考察了HDH海水淡化系统与太阳能辅助吸收制冷循环的集成，以提升整体能源利用。研究结果显示，耦合制冷与淡化过程可显著提升系统效率并降低能耗，优化后的运行条件在COP（性能系数）、GOR和能源利用因子方面均带来了可观的增益。

Shamet等[19]评估了几种由柴油发电机余热驱动的HDH海水淡化构型，重点关注系统布局和运行条件。分析显示性能强烈依赖于所选构型，其中空气加热循环可获得更高的产量和GOR，而有效的余热利用可显著改善整体能效并降低淡水生产成本。

El-Said等[20]探索了一种采用多孔活性炭管作为加湿器以增强气–水接触的太阳能HDH海水淡化系统。研究表明，空气流量和水高度都对系统性能起关键作用，最优气流可显著改善产量，而多孔结构实现了高湿度水平，并有助于经济高效的淡化过程。

Thanaiah等[22]使用人工和生物基填料材料、并分别在有和无边板的情况下，对HDH海水淡化进行了评估。

他们的研究结果表明，生物基材料（尤其是稻草）在淡水产量和产水增益比（GOR）方面优于传统填料，这主要归因于其改善的润湿性和传热传质特性。El-Ashtoukhy等人[23]开发了一种利用新型天然填料材料（埃及丝瓜络）的多级加湿器HDH淡化装置。该系统实现了接近饱和的出口空气和高效的冷凝，证明了低成本亲水材料能有效替代传统填料，同时保持强大的性能。Santosh等人[24]对太阳能和废热驱动HDH系统中使用的加湿器和除湿器进行了全面综述。他们的分析强调了材料选择、流道配置和热集成的重要性，指出纤维素基加湿器和翅片管除湿器是特别有效的组合，可提高系统效率。Shaikh等人[25]回顾了HDH淡化技术的最新发展，重点关注紧凑性、生产力和能源效率。他们的综述强调，气泡柱、膜基加湿器、热平衡、多级化和混合配置可以提高HDH性能，但系统尺寸、能源需求和有限的淡水产率等挑战仍需进一步努力。Essa等人[26]讨论了HDH淡化装置的进展和剩余挑战，涵盖了气泡辅助加湿、雾化、填料材料和混合系统等技术。他们的综述指出，改善空气和水之间的接触面积和停留时间是更好加湿的核心，而紧凑设计和更低的能耗仍是重要目标。Sonkar等人[27]回顾了太阳能驱动吸附和基于HDH的混合淡化系统的最新进展。他们指出，HDH性能可以通过更好的加湿器材料、更小的液滴、蓄热和与吸附系统的混合化来提高，同时也强调了对?分析和环境评估的更深入需求。Xiao等人[28]实验研究了由圆柱形菲涅尔透镜聚光器直接加热的沸腾HDH淡化系统。通过将聚光太阳能辐射直接送入沸腾加湿室，该系统减少了热损失并改善了传热传湿，在太阳能运行下取得了有前景的淡水生产率和热效率。Dizaji等人[29]开发了一种便携式HDH淡化系统，使用蜂窝填料加湿器和热电除湿器。Hanaei等人[30]提出了一种结合M循环（Maisotsenko cycle）与露天/开放水域HDH淡化和蒸气压缩制冷的混合淡化-冷却系统。他们的研究表明，M循环可以有效提供饱和空气并提高淡水产量，尽管它也引入了明显的?损，这使得流量比、通道尺寸和热交换器温度的仔细优化变得必不可少。Dizaji等人[31]开发并实验验证了一种无需外部加热或冷却的基于M循环的HDH淡化系统的微分数学模型。Huang等人[32]为HDH淡化引入了一种复合流道加湿器，其中干流道和湿流道相结合以改变过程的热力学路径。与传统HDH布置相比，这种配置提高了系统的能源效率，表明重新设计加湿器结构可以直接增强整体循环性能。Dong等人[33]研究了一种使用中空纤维膜的太阳能驱动膜基HDH淡化系统，并评估了其在中国沿海城市的热力学和经济潜力。最近，Shaikh和Ismail[34]提出并实验研究了一种用于HDH淡化的多级气泡柱加湿器（BCH）。他们的理论和实验研究证明，将气泡柱分成多级与传统的单级气泡柱和填料床加湿器相比，显著提高了加湿性能。两级和三级BCH配置将加湿器效率提高了约16–21%和25–30%。在另一项研究中，Shaikh和Ismail[35]将多级气泡柱除湿器（BCD）引入太阳能驱动的HDH淡化系统。他们的实验结果显示，与单级设计相比，两级配置将淡水产量、GOR和除湿器有效性分别提高了约6.2%、6.8%和17%（表1）。

尽管已有几项研究通过修改操作条件、柱体尺寸或多级布置来研究气泡柱加湿器的优化，但尚未有人关注通过在柱体内部进行被动式气泡破碎来增强加湿。在所提出的方法中，策略性放置的网罩反复破碎上升的气泡，在增加气液界面面积和停留相互作用的同时，不引入额外的能源输入、运动部件或重大结构修改。此外，所提出的增强方案可以轻松改造到现有的气泡柱加湿器中，提供了一种简单且低成本的方法来提高加湿性能，如图2所示。在这种配置中，上升的空气气泡在通过策略性放置的网罩时持续被破碎成较小的气泡，防止其合并成较大的气泡。这种机制增加了空气和水之间的有效界面面积，从而提高了加湿效率。可以根据柱体高度调整网罩的数量和位置，以在整个柱体高度上维持气泡破碎。值得注意的是，这种增强不会增加整体系统尺寸或引入显著的复杂性。对于给定的柱体高度，网罩配置比传统气泡柱实现了更高的加湿性能。或者，较短的配备网罩的柱体可以提供与较高的传统系统相当的性能，这意味着降低了空气注入压力和泵送功率。为了评估这一概念，开发了一种包含气泡柱加湿器和热电除湿器的HDH淡化系统，如下节所述。

实验设置开发和实验过程
图3展示了为评估所提出的网罩增强气泡柱加湿器在HDH淡化系统中的性能而开发的实验装置。设置该装置的主要动机是实验验证使用网罩进行连续气泡破碎是否能提高加湿效率，而不会增加系统尺寸或能源消耗。系统由两个主要部分组成：加湿单元（气泡柱）和除湿单元。

结果与讨论
图4提供了在实验开发阶段所提出的网罩辅助气泡柱概念的照片。图4(a)显示了玻璃气泡柱内的不锈钢网罩，而图4(b)展示了其运行时的照片。当产生的空气气泡通过网罩时，较大的气泡在网罩上方被破碎成数量更多的较小气泡。

图5展示了4种情况在不同条件下的淡水产率。

结论
对一种结合了新型网罩增强气泡柱加湿器和热电除湿器的HDH淡化系统进行了实验研究。所提出的网罩配置持续破碎上升的空气气泡，从而增加气液界面面积并改善加湿过程，而不会增加柱体高度。基于实验结果，可以得出以下结论：
1. 引入网罩

利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本文报告的工作。

致谢
作者感谢沙特阿拉伯普琳斯阿卜杜勒阿齐兹王子大学（Prince Sattam bin Abdulaziz University）通过项目编号（PSAU/2025/01/33601）资助这项研究工作。

Mohamed Amine Khadimallah | Shaker A. Reda