管材材质变化及多层多孔螺旋盘管对外部反射器集成的半球形太阳能蒸馏器的热储存性能提升的影响

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Effect of tube material variation and multi-layer porous helical coils on thermal storage enhancement of hemispherical solar distillers integrated with external reflectors

　　**摘要**
本研究在沙特阿拉伯阿尔-马达尼阿的气候条件下，实验性地评估了一种改进型的半球形太阳能蒸馏器。该蒸馏器采用了多层多孔螺旋线圈（MlHCs）、中空金属管散热片以及外部反射器。研究顺序探讨了五种不同的配置：传统太阳能蒸馏器（TSS）、配备MlHCs的蒸馏器（MS-MlHC）、MlHCs与铝管散热片结合的蒸馏器（MS-MlHC_Alf）、MlHCs与铜管散热片结合的蒸馏器（MS-MlHC_Cuf），以及添加外部反射器的铜管散热片配置（MS-MlHC_Cuf-ER）。十二个多孔不锈钢螺旋线圈均匀分布在蒸馏器内部，以增加传热面积和显热储存能力；中空散热片则促进了蒸馏器与盐水的导热过程。结果显示，日淡水产量从TSS的3.65升/平方米·天增加到MS-MlHC的4.55升/平方米·天、MS-MlHC_Alf的5.13升/平方米·天、MS-MlHC_Cuf的5.71升/平方米·天，以及MS-MlHC_Cuf-ER的6.26升/平方米·天，分别提高了24.52%、40.55%、56.44%和71.51%。其中，MS-MlHC_Cuf-ER配置下的平均和最高水温分别达到了51.44摄氏度和72.7摄氏度，而TSS仅为43.83摄氏度和60.0摄氏度。该配置还提高了热效率（从28.41%升至53.58%）、焓效率（从1.11%升至3.50%）和可持续性指数（从1.011升至1.036）。此外，MS-MlHC_Cuf-ER的淡水生产成本最低，仅为0.0397美元/升，回收期约为26天。研究结果表明，铜管散热片优于铝管散热片，而添加外部反射器后进一步提升了半球形太阳能蒸馏器的整体性能。

**引言**
随着人口增长、工业发展、气候变化以及传统水资源的消耗，淡水短缺已成为一个日益严重的全球性问题。虽然现有的海水淡化技术可以缓解用水紧张，但许多技术需要大量的电能或热能，并且仍然依赖化石燃料，导致运营成本高且对环境有负面影响[1][2]。太阳能蒸馏提供了一种简单且环保的替代方案，尤其适用于阳光充足的偏远和干旱地区[3][4]。在被动式太阳能蒸馏系统中，半球形太阳能蒸馏器（HSSs）具有诸多优势，如结构简单、运营成本低、冷凝表面积大，且能够全天从不同方向接收太阳辐射[5]。然而，其生产效率受到传热限制、热损失以及太阳辐射间歇性的影响[6]。因此，先前的研究探讨了热能储存、纳米粒子、多孔材料、扩展表面、反射器、吸液材料以及磁场辅助蒸发等技术[7][8][9]。热能储存尤其有益，因为它能在高强度光照期间储存部分太阳能，并在光照减弱时释放出来[10]。Kadhim等人[11]报告称，显热和潜热储存系统可使HSS的生产效率提高30-245%，热效率可达78.1%。Ataya等人[12]在半球形蒸馏器下方使用了黑色砂粒和石蜡，年淡水产量达到了408.5升。Essa等人[13]发现，添加石墨和氧化铝纳米颗粒的石蜡基相变材料可使淡水产量提高145%。Abdullah等人[14]将相变材料与螺旋铜散热片和波纹反射器结合使用，相对于传统HSS，生产效率提高了96.37%。纳米粒子和多孔金属结构也被用于提升太阳能吸收效率、有效导热性以及蒸馏器与盐水之间的热传递[15][16][17][18]。这些研究表明，多孔金属结构能够扩大有效传热面积并改善与水的热交换效果。不过，这些性能提升可能受到额外纳米粒子、纳米涂层或磁性组件的影响，难以单独评估多孔结构的作用。散热片和扩展表面也是将吸收的能量传递给盐水的被动方法[19][20][21][22][23][24][25][26][27][28][29][30][31][32][33][34][35][36][37][38][39][40]。外部反射器和聚光器可通过增加吸收器的辐射强度进一步提升太阳能蒸馏器的性能[23][24][25][26]。Ben Bacha等人[23]将改进型半球形吸收器与外部反射器和银纳米颗粒相变材料结合使用，生产效率提高了180%。Hadj-Taieb等人[24]结合了黑色砂粒、反射器和蒸汽抽取风扇，生产效率提高了154%。Alqsair等人[25]使用碟形集热器、波纹散热器和纳米增强相变材料，生产效率提高了220%。Abdelaziz等人[26]将真空管集热器集成到半球形蒸馏器中，生产效率提高了550%。尽管这些集成技术显著提升了生产效率，但其额外组件、维护需求和资本成本可能降低了被动式太阳能蒸馏器的简易性和经济优势。因此，低成本、可回收的材料受到越来越多的关注[27][28][29][31][32]。

**方法**
本研究采用了基于物联网（IoT）的数据采集和监测系统，连续测量、传输、存储和可视化所测试半球形太阳能蒸馏器的热参数、气象参数和生产效率参数。NodeMCU ESP32微控制器作为数据采集和通信的核心组件，集成了多种数字和模拟输入通道、处理能力以及2.4 GHz Wi-Fi收发器。

**数学分析**
半球形太阳能蒸馏器配置的热性能、热力学性能、经济性能和可持续性通过相关数学模型进行评估[44][45]。

**水质评估**
盐水的进料质量和蒸馏产水的质量通过总溶解固体（TDS）浓度和pH值进行评估，具体见图8。蒸馏器使用的盐水来自Yanbu，初始TDS浓度约为40,000 ppm，pH值为7.5；经过太阳能蒸馏后，产水的TDS浓度降至88 ppm，pH值为7.47。TDS（总溶解固体）从40,000 ppm降低到88 ppm，这表明溶解固体含量有所减少。

**结论与实际意义**
本研究在沙特阿拉伯麦地那的气候条件下，评估了一种改进型半球形太阳能蒸馏器。该蒸馏器配备了多层多孔螺旋线圈、中空铝管或铜管散热片以及外部反射器。主要结论如下：
1. 推入多层多孔螺旋线圈提高了显热 retention（热量的保留能力），使池水平均温度从43.83°C提高到了46.13°C。增加铝管和铜管散热片进一步提升了热效率。

**未来研究建议**
鉴于本研究的局限性，未来的研究应重点关注以下方面：
1. 长期和季节性验证：需要在更长的时间范围内以及不同的季节和天气条件下重复实验。每种配置应进行多次测试，以评估实验的可重复性、日变化以及统计显著性。
2. 独立评估反射器：未来的实验应测量反射器对额外太阳辐射的贡献。

**作者贡献说明**
Gamal M. Ismail：负责监督、方法论设计及概念构思。
K. Harby：负责监督、方法论设计及调查工作。
Moataz M. Abdel-Aziz：负责撰写初稿、方法论制定及数据整理。
Badr H. Bedairi：负责撰写初稿、方法论设计及概念构思。

**参与同意声明**
作者同意参与这项研究。

**伦理审批**
作者声明所提交的手稿为原创作品，承认整个评审过程符合伦理规范，并且所有作者都对研究的最终形式达成了一致。

**利益冲突声明**
作者声明无任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

**致谢**
作者感谢沙特阿拉伯麦地那伊斯兰大学的科研院对该研究的资助。

Gamal M. Ismail | K. Harby | Moataz M. Abdel-Aziz | Badr H. Bedairi