闭环太阳能辅助级联蒸馏零液体排放海水淡化的瞬态过程列车建模与敏感性分析

《Desalination and Water Treatment》：Transient Process-Train Modeling and Sensitivity Analysis of a Closed-Loop, Solar-Assisted Cascade Still for Zero Liquid Discharge Desalination

　　

零液体排放（ZLD）海水淡化可产淡水与盐而无液盐水物流，但其能量需求鲜有以购入功为基准针对整个过程列车进行量化者。本研究建立了与除湿/冷凝单元、气-气回热器及电结晶器耦合的瞬态闭环级联太阳能蒸馏器模型，并以平面阵列辐照度将其在10 h时段上积分。模型通过了网格收敛、守恒与极限工况检验，但尚未经实验验证，故结果为可行性估计。独立二维CFD模型在计入入口与转向效应后与之一致：级联蒸发差异约5%以内，空气温度差异1 K以内。在设计点，级联本身蒸发72.6%的进料水，所施加的ZLD过程边界导致模拟总体水回收率为99.4%，10 h内产淡水98.2 kg与盐3.45 kg。在模拟过程列车边界上（不含等离子体处理与供电子系统），购入功比能耗约为655 kWh m?3（640–739 kWh m?3）。热提升占热输入的93.9%及购入功的一半以上，而吸收的太阳辐射仅提供4.6%，故模拟装置为太阳能辅助但主要电驱动。敏感性分析显示设计因子间存在强非线性与交互作用，故全局筛选应先于优化。无制冷剂配置配深冷海水热沉仅在概念上提出；未报告其性能或能量结果。

研究背景方面，安全淡水获取是21世纪最紧迫的人道主义挑战之一，全球约三分之二人口每年至少一个月经历严重缺水，25个国家面临极高水压力。海水淡化已成为应对水资源短缺的支柱手段，反渗透（RO）因能耗较低而主导市场，但所有既有淡化过程均产生浓盐水副产物，进料体积的10%–50%被排为浓盐水，常规处置方式（海洋排放、深井注入、蒸发池）损害海洋生态、咸化地下水并占用土地，许多内陆地区因缺乏可行浓盐水处置途径而完全中止淡化项目。零液体排放（ZLD）作为替代框架，将浓盐水进一步浓缩直至全部液体回收、仅剩干固体盐，从而消除液体排放、最大化水回收并可回收矿物资源（西班牙淡化浓盐水中可回收元素年价值估计为134–298亿欧元），但常规ZLD依赖高能耗的机械蒸汽压缩与热结晶器，资本与运行成本制约其部署。太阳能蒸馏是最简单古老的太阳能产水方式，单 basin 蒸馏器日产仅2–5 L m?2，低产率源于盖板散热、冷凝回传导及蒸发冷凝面积有限；多级多效、相变材料（PCM）、纳米流体、热电模块等改进虽将产率提升最高达5.7倍，但多数设计仍排放液盐水，ZLD难题未解。界面太阳能蒸发器虽实现盐结晶与蒸发面分离，却仅在组件层面以蒸发速率和太阳能-蒸汽效率表征，而非完整过程列车的能量需求。大气水生成（AWG）是互补路线，主动蒸汽压缩制冷（VCR）型机组在阿布扎比实测日产约1500 L、比能耗低至0.26 kWh L?1、性能系数3.6，但独立AWG依赖足够高的环境湿度。非热等离子体可产等离子体活化水（PAW），具广谱抗菌活性且无持久化学残留。美国专利US 12,115,465 B1（King Faisal University）将太阳能蒸馏、ZLD浓盐水收集、AWG与介质阻挡放电（DBD）等离子体处理集成为单一太阳能驱动系统，但开放文献中尚无该集成架构的计算模型、热力学分析或系统性能评估，组件虽被孤立研究，其作为集成能量与质量系统的耦合行为无法由独立组件分析推断。本研究据此设三目标：建立专利系统级联太阳能蒸馏器的瞬态空间分辨模型并与完成过程列车质量能量平衡所需的辅助单元耦合，经网格收敛、守恒闭合与极限工况检验验证；量化基线配置在代表性干旱气候下的淡水产量与盐回收并分解过程列车边界比能耗以识别主导项；以单因子参数扫描与全局敏感性分析对主导能耗与级联回收的设计因子排序。研究采用多物理场分布参数模型，耦合玻璃盖板、蒸汽间隙、下降液膜、吸收板与底板、围壁及循环气流六个域的能量、质量与动量守恒；以40个均匀有限体积单元每级对流向坐标离散、迎风格式、变阶向后差分法在10 h窗口积分，并按ASME V&V 20验证，网格收敛指数在40单元网格上级联蒸发为0.12%、终端浓盐水浓度为0.36%；下游单元以集总 duty/effectiveness 表示，结晶器为大气压连续蒸发器，比能耗在含蒸馏器至冷凝单元（不含等离子体室）的过程列车控制体上报告，仅电功与免费太阳辐射跨边界。主要技术方法包括：级联蒸馏器一维降膜质量、盐分、动量与能量守恒方程与锥形间隙湿空气传输、灰漫 enclosure 辐射及壁面轴向导热的耦合求解；基于Chilton–Colburn类比与Dittus–Boelter关联的间隙对流与传质闭合；Sharqawy等海水物性与Nayar等湿空气物性关联；ANSYS Fluent 2026 R1二维CFD独立对比（SST k–ω湍流模型、177 049网格单元、60 s时间步）；Morris基本效应全局筛选（四水平网格、20条轨迹、240次求解）；太阳能辐照取自沙特阿拉伯中部内陆站点（25.624° N, 42.353° E；3月）的PVGIS–SARAH3平面阵列序列。研究结果方面，基线设计案例：10块板、风扇流量0.25 m3 s?1、盘管温度295 K、蒸馏器入口空气温度325 K、级联进料温度320 K、回热器效能0.75、进料100 L (10 h)?1、进料盐度35 kg m?3。主要流动：海水进料（水）2.74 g s?1即98.7 kg (10 h)?1，级联蒸发1.99 g s?1即71.7 kg，级联浓盐水至结晶器0.83 g s?1即30.0 kg，结晶器蒸汽0.74 g s?1即26.5 kg，99 wt%固体湿盐饼0.097 g s?1即3.48 kg，进料换热器冷凝液0.091 g s?1即3.29 kg，空气预热器冷凝液0.65 g s?1即23.2 kg，回热器疏水0.21 g s?1即7.42 kg，盘管冷凝液1.78 g s?1即64.2 kg，总产品2.73 g s?1即98.2 kg。分离性能：级联、结晶器、总ZLD与总体水回收率分别为72.6%、26.9%、99.4%与99.4%；进料水98.7 kg中收集98.2 kg；终端浓盐水达114 kg m?3、密度1075 kg m?3、级联浓缩因子3.25；干基盐3.45 kg；级联停留时间23.7 min、润湿板面积11.1 m2。级联剖面：盐水盐度自35.0单调升至约114 kg m?3，液膜自0.266减薄至0.191 mm；每级蒸发率自0.056升至0.312 g s?1，尽管到达各液膜的辐照度自135降至23 W m?2（近六倍），内部级间蒸发自第2级至底板升2.7倍，表明蒸发由逆流空气流（底部间隙最干最热，325.0 K）而非局部辐照度主导；蒸发驱动力分解为热贡献与盐度所致蒸气压降，驱动力经内部极大值而非单调下降，浓缩因子3.25时盐度效应真实但次要。能量性能：将回路空气自295 K盘管加热至325 K蒸馏器入口需约8314 W空气提升，占终时刻跨边界热输入的97.4%、窗口基准的93.9%，吸收太阳辐射窗口基准仅占4.6%；被动回热器提供约3105 W（将冷流自295.0升至306.2 K），冷凝富余结晶器蒸汽再提供1853 W，电加热元件提供其余3356 W即提升的40.4%；元件须按回热后全 duty 5209 W 选型。过程列车边界比能耗约655 kWh m?3，由电空气加热器（361 kWh m?3）、结晶器（203 kWh m?3）、压缩机（82 kWh m?3）与鼓风机（9 kWh m?3）构成；两机制主导：闭环由电阻元件加热，对0.267 kg s?1干空气施加连续30 K提升，即使回热器效能0.75与全部蒸汽富余，55%电需求仍耗于此单一 duty，且植物为同股气流的加热与冷却双重付费；ZLD闭合由电沸腾浓盐水完成，浓缩因子仅3.25时结晶器仍须蒸发0.74 g s?1水（蒸馏器为1.99 g s?1），为增益输出比等于1的第二蒸发器，提高级联浓缩因子直接作用于第二大项。压缩机表示为对卡诺冷却系数的第二定律效率：终温基准下效率0.35–0.55使比能耗仅自约678变至640 kWh m?3；同一区间施于制冷剂提升则自约739变至679 kWh m?3，全包络约640–739 kWh m?3，基准值655 kWh m?3取乐观端；总输入基准增益输出比0.89，仅蒸馏器控制体比能耗约1170 kWh m?3。有效性：总体水回收率与1相差进料水的0.53%残差（液膜持液仍在填充且窗口积分产品与终态盐饼速率配对）；终端浓盐水全程低于饱和，所有节点与时间步最大135.3 kg m?3，远低于317 kg m?3溶解度限；玻璃盖板终时刻露点裕度6.2 K。敏感性分析：单因子扫描扰动16因子、103个求解案例（102扰动水平加共享基线），分设计杠杆、情景条件与不确定性参数三块；全局筛选用Morris基本效应法，11个设计因子、20条轨迹、四水平网格、240次求解（217通过有效性屏）。基线能耗构成（N?=40）：鼓风机8.7 kWh m?3（1.3%）、压缩机81.7（12.5%）、结晶器加热器203.0（31.0%）、空气加热器361.2（55.2%）。表4排序：风扇流量最强，范围321.3 kWh m?3即基线49.0%，其最优在0.16 m3 s?1（内部极小，两端分别升129.9与106.9）；其次盘管温度（251.9）、进料流量（238.5）、蒸馏器入口空气温度（180.1）、板数（154.7），五因子占11个设计因子合计1567 kWh m?3中的1147；板面积亦非单调（内部极小0.36）。级联回收与能耗：ZLD下总蒸馏产量由进料固定，恒为每升海水0.982 kg即含水99.4%，级联回收为蒸馏器与结晶器间分流比；进料预热目标自305升至350 K使4.1 kg (10 h)?1蒸发自结晶器转入级联，总产仅变0.28 kg (10 h)?1，同期结晶器加热 duty 降33.0 kWh m?3而购入空气加热升69.6 kWh m?3，即结晶器每节省1 kWh m?3需付2.1 kWh m?3购入空气加热，故ZLD列车中更高级联回收反而提高能耗，逆转常规增湿-减湿设计直觉；对不改变润湿面积与回热器效能的52个案例二次拟合，比能耗在级联回收49.6%处有极小（R2=0.88），基线72.6%位于购入空气加热主导分支。区块比较：设计块跨1567 kWh m?3、不确定性块61、情景因子56，设计选择而非估计参数主导；不确定性块中结晶器容器损失分数唯一有实质影响（35.0），环境温度次之（20.8），液膜吸收系数四倍变化仅0.6%、沸点升高±1.5 K仅0.2%；进料盐度5–75 kg m?3跨55.6 kWh m?3，盐度升高比能耗下降；终温基准不确定性带640.6–678.9 kWh m?3即5.8%。103案例中20例超出盐水物性关联拟合盐度上限162 kg m?3（最重要为盘管温度，其四水平全部超限，仅基线295 K受支持；板面积次之）。单因子与全局研究斯皮尔曼秩相关仅0.44（n=11，双侧p≈0.18），四因子秩相同、其余七因子移动（四个移动三位以上），分歧分三组：板面积因设计点附近响应浅且近乎对称，扫描低估（第十对第二，μ?为扫描范围4.11倍）；盘管温度与蒸馏器入口空气温度因单侧扫描被高估（分别降六位与三位）；回热器效能效应依赖运行状态（降两位，σ/μ?=1.98，任何轨迹上级联回收不变），其在约50%级联回收阈值以上大、以下近乎惰性，故此前"纯粹加性收益"结论仅在设计点及阈值以上成立；11因子中8个σ超μ?，间隙高度偏移σ/μ?最大（2.44），风扇流量μ?最大而σ/μ?仅0.74。CFD对比：二维垂直剖面含玻璃盖板、10块PMMA板、铝底板、11层液膜与带180°转向的蛇形空气路径，网格177 049单元（空气156 360），SST k–ω，湿空气H?O–O?–N?组分输运，气流先解后固定，能量与组分瞬态一阶隐式、Δt=60 s、600步；数值模型间隙传热传质系数乘入口与转向因子（板间隙1.7、底板间隙1.2、盖板下间隙5.6）。对比案例（进料115 L每窗口）：数值模型级联蒸发87.8 kg对CFD 92.5 kg，差5.1%，级联回收77.3%对81.5%；离开级联空气温度差0.9 K、离开底板间隙差0.6 K、平均玻璃温度差0.7 K；第一小时后瞬时级联蒸发率平均差4.4%、最大6.7%；逐级蒸发率相关系数0.996，逐间隙出口空气温度差≤1.1 K（平均0.8 K），前八级出口浓盐水浓度差≤4%；两模型均预测蒸发沿级联向下增长、空气向上渐进冷却增湿。差异：CFD第1–10级液膜平均冷2.0 K（最大3.3 K），与转向射流扫掠处更强局部蒸发及潜热冷却一致；底板级CFD预测更低蒸发、更暖液膜与更浓出口盐水，归因于入口射流沿底板发展，底板浓盐水CFD达191 kg m?3、数值模型164 kg m?3，均超162 kg m?3拟合限，带同样物性警示；CFD为二维、常物性、固定流场、60 s步长，数值模型含完整侧壁环、变物性、自适应步长，预计不显著改变总体能量与水衡算。前瞻增强配置（仅概念、未建模、不报告定量性能）：基线VCR-AWG压缩机占电需求12%（终温基准）至18%（制冷剂提升基准）；增强配置以约50 m或更深冷海水为热沉替代机械制冷，阿拉伯湾中部夏季强密度跃层将约20.9 °C深水与约31.9 °C表层水分开，表层夏季可超30 °C；"可持续AWG水箱"上层冷凝层以海水冷却盘管冷凝蒸汽、下层浓盐水蒸发层以光伏供电电元件加热浓盐水再蒸发，蒸汽共用盘管冷凝，海水沿程预热后送蒸馏塔进料构成内部热回收；冷凝液经等离子体活化产PAW；保留ZLD且无制冷剂（规避基加利修正案HFC削减）。三项预期优势均未量化：去除压缩机可消除约12%–18%基线电需求及制冷剂负担，但冷却 duty 未必更廉，基线295 K盘管温度仅略高于约20.9 °C深水，且海水沿程被预热，增强配置平均盘管温度可能更高而非更低（盘管温度单因子扫描第二、Morris第八，符号重要而本模型未定）；进料在冷凝盘管预热为过程热集成，但基线已以结晶器蒸汽将进料自300热至320 K，增强仅换热源而非增功能，被置换蒸汽的去向决定能量影响；捕集浓盐水蒸发蒸汽为额外产品作用于分母，相比独立干燥器增益为全回收流，相比基线（富余结晶器蒸汽已冷凝于回路空气）增益较小。三项优势均不直接作用于最大项：基线自295 K盘管至325 K蒸馏器入口的空气提升占窗口热输入93.9%、电空气加热器占购入功一半以上；冷沉仅间接影响且双向（更暖盘管缩短提升、降低空气加热 duty，但提高冷凝温度、减少盘管冷凝液）；取冷却水流量0.29–0.48 kg s?1（约产品流量100–170倍）、总水头10–30 m、泵效0.6，进水泵约耗50–230 W即5–24 kWh m?3，与鼓风机8.7 kWh m?3相当或更大，但远低于所替代压缩机81.7 kWh m?3。讨论部分：本装置需求由闭环空气回路设定，电空气加热器占电需求55%而制冷压缩机仅12%，过程宜称太阳能辅助而非太阳能驱动，吸收太阳辐射窗口基准仅占热输入4.6%，实质为太阳能加热级联的电辅助增湿-蒸发系统；级联几何支配分离（固定浓缩因子与终端浓盐水）但不直接设定能耗，能耗由回路空气流量、盘管温度与回热器效能设定。闭环由设计保证：产品不源于环境湿气，99.4%回收率为真实海水淡化回收率而非混入大气收集，并在等离子体级上游防颗粒与微生物；代价为工作空气每次循环须再热，再热即主导能耗项；开放配置可免再热但失去两项保证且回收率模糊。约655 kWh m?3 较海水反渗透高两个数量级，远高于大型热法淡化，三因素致此：回路以电阻元件而非热泵加热；边界画在购入功、太阳能视为免费；ZLD要求干燥残余浓盐水而相变须全额付费。该值属单一设计点，敏感性研究在风扇流量、板面积与级联回收发现内部极小值而基线均未占据，故其激励后续优化而非确立优化结果；该值亦宜用于选型，模拟产量98.2 kg每10 h窗口下装置每窗口耗约64 kWh，按海湾代表性阵列产率约需12 kWp光伏供约100 L产品每窗口（仅指示性，未建模阵列、储能或负荷曲线），故装置不适于市政供水，而适于替代卡车运水与蒸发池的分散式无排放用途，其价值在于同时产盐与等离子体活化水。与已发表系统比较取决于度量：界面太阳能蒸发器以蒸发速率与组件级太阳能-蒸汽效率（单太阳下常>80–90%）评级，不含冷凝、热回收、盐处理与辅助负荷且无购入能；太阳能蒸馏器与太阳能HDH以单位采光面积产量与GOR评级（闭气开式HDH达GOR 1.2–4.5，约140–550 kWh m?3热输入）；本文为第三类——完整ZLD过程列车每立方米产品的购入电功，最近对应物为电驱动机械蒸汽压缩（MVC）ZLD样机165–214 kWh m?3进料；本文列车约为其3–4倍，源于潜热在级联经电加热空气供给一次、又在结晶器以电阻加热供给一次且无蒸汽压缩循环，约655 kWh m?3接近产品水自身潜热（级联与结晶器温度范围内约630–670 kWh m?3），故列车电增益输出比约1；太阳能-蒸汽效率无论多高，无冷凝、热回收、盐处理与辅助项则不能换算为此度量，两类数值不应直接比较；已发表ZLD列车多以浓盐水最小化与盐回收而非购入功评估，同类比较基本缺失。ZLD亦改变设计变量含义：无补气使总产由进料固定为99.4%，级联回收由产量杠杆变为蒸馏器与终端结晶器间分流比；因结晶器蒸汽同时点燃空气预热器，比能耗在约50%级联回收处经极小值；类似结构或出现于浓盐水干燥器向上游单元供热的其他ZLD列车，此时初级分离器更高回收仅在工厂自身设定阈值内改善能耗。两项敏感性研究的分歧有实践含义：板面积在设计点附近响应浅且近乎对称，扫描列第十而筛选列第二，故已发表耦合太阳能热系统单因子排序乃所报告设计点之属性而非设计空间之属性。局限：模型经验证但未实验验证，网格收敛、守恒与极限检验确认模型自洽、CFD对比以独立模型检查间隙闭合，但均未确认真实装置数据；盐水物性关联在若干扫描水平被推至拟合范围外（20例终端浓盐水超162 kg m?3），故盘管温度响应仅报方向不报量级；下游单元以 duty 与效能简化表示（压缩机等仅由 duty 与效能指定而非详细物理模型），限制相关能量估计精度；增强配置仍为未建模概念，其性能为定性推断而非模拟。未来工作：最直接扩展为以基线同基准建模增强配置使比较定量化，关键问题为盘管温度升或降（冷海水热沉可升可降冷凝温度，取决于取水深度与海水沿盘管回路预热程度，而盘管温度单因子扫描第二，答案基本决定增强是否降能耗），需以解析海水回路替代固定盘管温度并配162 kg m?3以上有效的盐水物性关联；三项后续方向：台架级联实验验证当前假设的闭合（实验前可分别以已发表数据基准化蒸发传质系数、锥形间隙对流与视角因子处理及盐水物性集，集成试验应测逐级液膜温度剖面与蒸发通量及前述排序量）；代理辅助优化（筛选显示多数因子σ超μ?，设计空间宜用此法定位扫描仅能括住的内部极小，如0.16 m3 s?1风扇流量极小）；运行调度（蒸汽富余日变化与耗尽阈值提示级联回收应排程而非固定，需控制策略并将本模型与部署所需光伏与储能选型衔接）。结论：本研究建立了闭环级联太阳能蒸馏器与除湿/冷凝单元、回热器及电加热结晶器集成的瞬态空间分辨数学模型，完整系统表述为刚性常微分方程组并在10 h运行期模拟；级联蒸馏器以耦合液膜质量、盐分、动量与能量平衡自第一原理建模，并计入锥形蒸汽间隙湿空气输运、灰漫 enclosure 辐射与壁面轴向导热；下游单元以 duty 与 effectiveness 模型表示；数值框架满足网格收敛、总体质量能量守恒与极限工况检验，但尚无实验验证，故所报结果为基于模型的可行性估计而非实测性能。设计点上级联蒸发72.6%进料水，所施ZLD过程边界给出模拟总体水回收率99.4%，10 h运行期产淡水98.2 kg，总体盐衡算预测同期3.45 kg盐为99 wt%固体湿盐饼；结果表明集成级联配置在实现高总体水回收同时浓缩残余盐流的潜力，且高总体水回收主要是所施ZLD过程边界与闭环配置（产品水留在淡化过程内而非随连续排放流损失）的结果。模型在过程列车边界（不含等离子体处理与供电子系统）预测基线购入功比能耗约655 kWh m?3，视压缩机表示在约640–739 kWh m?3间变化；分析识别热提升为主导能量需求，占模拟运行期热输入93.9%及购入功一半以上，吸收太阳辐射仅提供4.6%热输入，故模拟系统为太阳能辅助且主要电驱动，基线配置能量需求主要关联于维持闭环空气回路所需热条件而非制冷循环本身；模型进一步指示比能耗在约50%级联回收处有内部极小，源于空气加热增加与结晶器需求降低之权衡，模拟交换率约为结晶器每降1 kWh m?3购入空气加热升2.1 kWh m?3。敏感性分析进一步表明系统响应强耦合：单因子分析与Morris筛选识别相似的有影响与可忽略因子组但排序不同，斯皮尔曼秩相关仅0.44，且11因子中8个标准差超平均绝对效应，表明设计空间内存在实质非线性与可能交互效应，故基于逐因子的优化应谨慎，全局敏感性分析应先于集成系统的详细优化。ANSYS Fluent 求解的独立二维CFD级联模型在将入口与转向效应计入间隙传质系数后，与数值模型在级联蒸发约5%以内、堆栈空气温度约1 K以内一致，故主结果所用充分发展关联对级联蒸发是保守的。基于这些发现，提出增强配置供未来发展：以冷深海水热沉替代机械制冷并在回收容器内纳入浓盐水蒸汽回收；这些修改将去除制冷压缩机及其制冷剂并回收额外浓盐水蒸汽，但保留主导的空气回路加热 duty，其对能量需求的净效应取决于盘管温度；增强配置仅为概念，未建模、未报告定量性能或能量结果，所述效应不应解读为相对基线系统的已证改进。该淡化系统不拟在比能耗上与并网反渗透直接竞争，所提架构面向沿海干旱地区无排放、光伏供电的淡化，此类场景中供水与浓盐水处置均可能构成重大挑战，而无液体排放地回收淡水与固体盐的能力或提供独特工艺优势。未来工作应聚焦级联太阳能蒸馏器的实验验证、冷凝与热回收单元的详细设计与测试、闭环空气回路优化、结晶过程验证及所提增强配置的实验评估，这些步骤对确立完整ZLD系统的实际性能、能量需求、可扩展性与经济可行性是必要的。