《Desalination》：Forced-air condensation as a performance-enabling strategy for natural vacuum desalination: Experimental, techno-economic, and environmental assessment
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自然真空蒸馏（NVD）技术通过强制空气冷凝器（FAC）增强冷凝效率与真空稳定性，显著提升产水率287%-412%，降低单位能耗63%-65%，经济性分析显示成本降至0.0208美元/升，年减排达15.7吨。
A.S.A. Mohamed|Abanob G. Shahdy|Hany A. Mohamed|M. Salem Ahmed
埃及索哈格大学技术与教育学院机械系，索哈格，82524
摘要 自然真空海水淡化（NVD）是一种具有前景的低温度、低成本海水淡化技术；然而，其实际性能主要受到亚大气压条件下蒸汽凝结效率低的影响，而非蒸发能力限制。本研究对一种改进的NVD系统进行了全面的实验、技术经济和环境经济评估，该系统集成了强制空气冷凝器（FAC），以增强空气侧的热量排放并稳定真空运行。通过将冷凝器从被动组件转变为主动热量排放单元，所提出的配置显著重新平衡了控制NVD性能的蒸发-凝结动态。对比实验表明，在50–80°C的海水温度范围内，用强制空气冷却替代自然空气冷凝可将淡水产量提高287–412%，同时输出效率、性能比和回收率分别提高了205%、184%和326%。同时，特定能耗降低了约63–65%，表明强制对流的辅助电力需求被提升的冷凝效率和真空稳定性所完全抵消。增加海水柱高度和降低环境温度进一步提升了性能，最大产量达到3.95千克/小时，输出效率为3.13，最低成本为0.0208美元/升，并且在可再生运行模式下每年可避免高达15.7吨的二氧化碳排放。
章节摘录 术语表 Cp 恒压比热，kJ/kg·°C g 重力加速度，m/s2 H 海水柱高度，m hfg 蒸发潜热，kJ/kg m fw ? 淡水流量，kg/h M 质量，kg P 压力，kPa Pf 强制空气冷凝器风扇功率，kJ Pp 真空泵功率，kJ Q 能量输入，kJ T 温度，°C t 时间，h 下标 0 初始 a 空气 atm 大气压 < />冷凝器 < />蒸馏液 < />电气 < />最终 < />蒸发 < />淡水 < />入口 < />内部 < />出口 < />太阳能集热器 < />海水 < />总 < />热 < />蒸汽 缩写 FAC
所提出系统的描述 图1和图2展示了所提出的NVD单元的示意图和相应照片。该系统设计为完全在亚大气压下运行，从而降低海水沸点，增强相变动力学并提高整体热效率。所有接头均采用密封焊接，以防止非冷凝气体渗透并保持运行过程中的真空完整性。
性能评估指标 本节建立了标准化的性能评估指标，用于定量评估所提出NVD系统的热力学效率、能源利用特性和水回收能力。
? 淡水产量（? ? fw
? ? fw m fw ? ∑ M d Δt
结果与讨论 所提出的NVD系统在埃及索哈格大学技术与教育学院的制冷与空调实验室（北纬26.557°，东经31.695°）的受控亚大气压条件下进行了设计、建造和实验评估。研究了两种冷凝器配置——自然空气和强制空气。对于强制空气配置，冷凝器的空气流量为0.33千克/秒。每次测试重复四次。
经济分析 经济分析是全面评估太阳能驱动NVD系统的重要标准之一。因此，进行了严格的技术经济分析，以量化所提出配置的淡水生产成本。采用每升成本（CPL）作为主要经济指标，定义为总年化成本（AC）与年淡水产量（M）的比率，如方程（25）所示。
年化成本是通过考虑
淡化技术的比较基准 图14展示了所提出系统与使用低温技术的淡化系统的比较。性能指标根据相同的日常运行条件进行了标准化。在这些条件下，所提出的系统实现了每天32升的淡水产量、3.13的GOR（总能量利用率）和0.0208美元/升的单元淡水成本。
相对于传统的蒸馏方法，这代表了产量提高了近一个数量级，GOR增加了六倍，SEC降低了83%。
结论与建议 本研究采用了将FAC集成到NVD系统中，旨在纠正蒸发和凝结之间的不平衡。用强制空气冷却替代自然空气冷凝可使淡水产量提高287–412%，GOR、PR和RR分别提高了205%、184%和326%，SEC降低了65%。这些结果积极表明了FAC在NVD系统中的重要性。研究还确定了海水柱高度是影响性能的关键因素。
利益冲突声明 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
