耐盐型太阳能驱动界面光热材料及蒸发器的研究进展

太阳能驱动界面蒸发技术（SDIE）依靠光热材料和蒸发器进行海水淡化，因光热转换效率高、环境友好、制造工艺简单和材料丰富等优点引起了学者们的广泛关注。但在海水淡化过程中，光热材料和蒸发器表面盐结晶的积累会直接影响太阳能界面蒸发效率，解决光热材料和蒸发器表面盐结晶问题是SDIE中重要的一步。本文简述了近年来耐盐型光热材料及蒸发器的设计理念与研究现状，阐述了不同耐盐设计的优点和局限性，梳理了其耐盐机制和性能，分析表明通过调控光热材料的孔结构、亲-疏水性、离子基团等方法可以增强光热材料的耐盐性，通过调控盐溶液的浓度和盐的结晶位置等可设计多种耐盐型蒸发器，讨论了目前在SDIE中解决盐结晶问题存在的共性问题并提出未来的研究挑战，以推进未来SDIE的研究与发展。     

仿生太阳能驱动界面蒸发器的进展与挑战

太阳能驱动界面蒸发（SDIE）作为一种高效、可持续的水资源获取方法,近年来受到了广泛的关注。基于仿生原理设计的太阳能驱动界面蒸发器在提高能源转换效率、降低盐结晶和抗污染等方面展现了巨大的潜力,在解决淡水资源紧缺和能源短缺等问题上发挥重要作用。该文梳理了近年来的仿生学在SDIE领域的应用,对比了仿生太阳能驱动界面蒸发器的结构、性能和仿生机理,探讨了不同类型仿生太阳能驱动界面蒸发器的优缺点,分析了仿生太阳能驱动界面蒸发器所面临的共性问题,并提出了未来的研究挑战。     

基于界面蒸发的太阳能蒸馏器海水淡化性能研究

应用界面蒸发技术对传统太阳能蒸馏器结构尤其是侧壁进行优化,研究了界面蒸发结构与蒸馏器海水淡化性能之间的构效关系。蒸馏器系统中的界面蒸发结构可以有效地避免底面和侧壁的界面蒸发层向海水层的漏热,减少海水层的热量存储,从而减小系统热量损失,还能更高效地利用低入射角的阳光。改进后的太阳能蒸馏器最高日淡水收集量为5.7 kg/m²,能量利用效率约为50%,比传统太阳能蒸馏器性能平均提升了近28%。     

太阳能界面蒸发协同发电：进展与展望

太阳能界面蒸发(SIE)是将太阳能集中于“空气-水”的界面处加热,进行高效产气,实现海水淡化的过程。该方法可有效解决淡水资源短缺和能源转换效率低等问题。随着光热材料及集成系统的快速发展,界面蒸发器的功能不断优化,促进了该方法在水处理、蒸汽杀菌、稀缺资源富集和联产发电等领域的技术突破。本文在延续前期研究的基础上,结合SIE协同发电的最新研究进展,梳理SIE协同发电的机理,分析SIE协同发电装置的设计要点,总结SIE协同发电的实际应用现状,并展望其未来的发展及挑战。     

发泡多孔凝胶的制备及光热海水淡化性能研究

聚乙烯醇(PVA)和壳聚糖(CS)通过发泡法结合碳黑(CB)光热材料，制备出一种新型多孔气凝胶蒸发器(PCA-C)，用于太阳能海水淡化。通过SEM、FT-IR、MIP和DSC等测试方法进行了表征，并探究了其光热表现和海水淡化性能。发泡凝胶的孔道结构调控，使PCA-C的蒸发焓降低到1 769 J/g，蒸发率达到2.93 kg/(m²·h)，并且具有良好的抗盐效果。     

改性PU海绵三维多孔界面蒸发器的制备及性能

采用聚乙烯醇(PVA)对商用疏水聚氨酯海绵(简称PU海绵)进行亲水改性,并在其上面喷涂多壁碳纳米管/聚二甲基硅氧烷(MWCNTs/PDMS)复合分散液,获得一侧超疏水另一侧亲水的三维多孔界面蒸发器。采用SEM、红外热像仪及紫外-可见-近红外分光光度计对涂层表面形貌、光热响应能力及反射率和透过率进行了测试,并对构建的三维多孔界面蒸发器的性能进行了评价。结果表明,由MWCNTs含量(以PDMS预聚物质量分数为0.55%的四氢呋喃溶液的质量计,下同)为0.5%的MWCNTs/PDMS复合分散液喷涂亲水改性的PU海绵制得的三维多孔界面蒸发器表面温度为81℃,吸收率为98.57%,具有良好的透水汽性、光热性能、蒸发性能、拒盐性能、脱盐性能、自清洁性能。该三维多孔界面蒸发器在盐水中进行蒸发作用时,其在1个太阳光强(1.0 kW/m²)下的表面温度为61.3℃,光热转换效率达96.75%,在模拟海水(质量分数为3.5%的NaCl溶液)蒸发过程中,蒸发速率可达1.80 kg/(m²·h),而PU海绵的蒸发速率较低,仅为0.44 kg/(m²     

管-板式降膜蒸发器在氧化铝生产中的应用研究

从氧化铝生产实践出发，通过管-板式降膜蒸发器和管式蒸发器在氧化铝生产中的应用和研究，找出蒸发原液温度、蒸发原液中苛性碱浓度、蒸发时间等影响蒸发器效率的因素。从试验分析的结果可知，蒸发原液的温度、苛性碱浓度、蒸发时间均会影响蒸发器的蒸发效率，随着蒸发原液的温度，苛性碱浓度的提高以及蒸发时间的延长，蒸发器的蒸发效率均会提高。同时，通过对两种不同类型的蒸发器在我厂氧化铝生产中的应用比较，发现管-板式降膜蒸发器是更适合氧化铝生产发展的蒸发器，值得推广和应用。     

面向水处理与有机溶剂回收的太阳能界面蒸发系统与材料

海水淡化是缓解全球淡水资源短缺的重要途径,但传统海水淡化技术受限于过大的能源消耗,而太阳能界面蒸发技术因高蒸发效率、可持续性和低成本等优点引起了人们极大的关注。太阳能界面蒸发技术利用光热转换材料将光捕获并高效地转化为热能,随之将热量传递给水分子将其蒸发收集而实现净化。本文综述了近年太阳能界面蒸发系统结构设计的演变,总结了新兴的光热材料如金属基等离子体材料、碳基材料、半导体材料、生物质材料等在海水淡化、污水处理等方面的研究,并基于系统设计理念提出了太阳能蒸发技术应用于有机溶剂纯化领域的可能性。在此基础上,对太阳能界面蒸发技术的前景和面临的挑战进行了总结,提出了太阳能界面蒸发技术与蒸汽发电、光催化、光解水产氢等多种技术的耦合。     

PDA@PPHF太阳能驱动界面蒸发性能及水质净化研究

将聚多巴胺（PDA）负载在聚丙烯中空纤维（PPHF）膜上制备PDA@PPHF复合材料,研究了其在太阳能驱动下的界面蒸发性能及水处理性能。结果表明,在1个太阳光强下,PDA@PPHF复合材料的水蒸发效率达到80.84%,是纯水自然蒸发效率的4.2倍。此外,PDA@PPHF复合材料在1 kW/m²太阳能驱动下进行了海水除盐和重金属以及染料废水净化,展现出良好的净水效果。实验结果表明,其有潜力应用于海水淡化、废水净化等领域,缓解水资源短缺问题。     

横管降膜蒸发-凝结回热循环太阳能海水淡化装置实验研究

基于横管降膜蒸发-凝结机理，设计了带有回热循环的太阳能海水淡化装置，并对其进行了试验研究。结果表明，横管降膜蒸发-凝结大大强化了传热、传质过程，在较低的驱动温度下实现了海水的有效蒸发，从而缩短了装置的瞬态运行时间；回热循环吸收了大部分的水蒸气潜热及浓海水显热，大大提高了系统能量的利用率，对于太阳能等低品位能的利用具有重要的意义。     

T型翅片板喷淋式降膜蒸发器传热性能研究

采用喷淋降膜蒸发形式，将蒸发器的传热面用机械线切割方法加工成Ｔ型翅片板。对这种蒸发器进行了传热性能的研究，并与池式光板进行传热性能对比，实验结果表明，Ｔ型翅片板降液膜蒸发能在低温差下维持沸腾且有较高的给热系数。同时对沸腾传热的强化机理也进行了研究，并探讨了Ｔ型翅片板喷淋降液膜蒸发器具有优良传热性能时主要原因。     

直热式太阳能海水淡化系统试验研究

针对间接式太阳能海水淡化方法,综合多级闪蒸和低温多效两种系统的优点,设计制造了具有一效蒸发器的直热式太阳能海水淡化试验装置,并对该系统进行了试验,给出了系统在不同闪蒸压力、蒸发压力和最高海水温度下的产水量和性能系数.试验结果表明,系统运行稳定,具有较高产水量和性生能系数.在闪蒸压力0.009MPa,蒸发压力0.004MPa条件下,最高海水温度70℃,产水量达到56.38kg·d,-1性能系数为5.68.文中还对闪蒸压力、蒸发压力和最高海水温度对系统产水量和性能系数的影响进行研究分析.     

降膜蒸发管内插往复螺旋强化传热实验研究

为有效解决降膜蒸发器加热管中传热效率与结垢问题，提出了一种降膜蒸发管内插往复螺旋强化传热技术，强化管内插螺旋运动与管壁碰撞过程。实验研究内插螺旋的结构参数、螺旋往复行程，以及热通量、蒸发压力以及溶液喷淋密度等工艺参数对降膜蒸发过程传热性能影响。实验结果表明，此技术的除垢防垢性能及传热性能优于空管及单纯的内插螺旋性能，在螺旋外径d=30 mm、螺距f=45 mm、丝径e=1.8 mm、往复行程H=100 mm时，其传热系数分别是空管和单纯的内插螺旋的2.08和1.26倍。通过对管内蒸发侧传热系数进行分析，总结得到与热通量、蒸发压力以及溶液喷淋密度相关的降膜蒸发传热系数关联式。     

热界面材料概况及性能影响因素

综述了热界面材料的分类、组成，介绍了热界面材料的制备工艺和影响热界面材料性能的因素，重点讨论了填料的取向调控方法、不同种类填料间存在的协同作用以及填料表面改性等因素对材料性能的影响，最后对热界面材料的应用前景进行了展望。     

金属3D打印复合毛细芯孔径配比对环路热管特性影响

环路热管（loop heat pipe,简称LHP）是一种利用工质相变进行热量传递的强化传热元件,广泛应用于余热回收、太阳能集热器以及电子器件散热等。而LHP蒸发器内毛细芯对其工作性能具有决定作用,3D打印毛细芯可克服烧结毛细芯孔径分布不均且随机性高的局限性。本文根据LHP蒸发器内气液两相的流动特点,将3D打印毛细芯的上层定义为吸液层,下层定义为蒸发层,并对其上下层孔径的配比进行研究后发现：在本文所研究的工况下,当蒸发层孔径一定时,增大吸液层孔径会使蒸发区内过热度降低;减小吸液层孔径会使蒸发区内出现干烧现象,二者皆会限制LHP的传热性能。此外,当吸液层孔径一定时,增大蒸发层孔径会造成热泄漏,减小蒸发层孔径可强化LHP在高负荷下的传热性能。蒸发层孔径为100μm、吸液层孔径为200μm的复合毛细芯具有更高的传热系数和热负荷。     

低压蒸汽环境中水蒸发界面温度和蒸发速率的实验研究

蒸发相变广泛存在于薄膜过程及晶体生长等工业生产和日常生活中，液层表面蒸发和热毛细对流相互影响、相互制约，使得蒸发界面能量传递机制变得非常复杂。为了深入了解水在低压纯蒸汽环境中的蒸发特性，对环形液池内水蒸发时的温度分布和蒸发速率进行了一系列实验研究。环形液池壁温控制在3~15℃之间，蒸发环境压力在394~1467 Pa之间变化，开始测量时液层深度为10 mm。结果表明，蒸发界面气相侧温度总是高于液相侧，气液界面存在明显的温度跳跃。随着压比减小，蒸发速率增加，界面温度跳跃随之增大；随着距壁面距离增加，局部蒸发速率降低，温度跳跃值减小；相同压比下，随着壁面温度的升高，气相侧热通量减小，蒸发界面温度跳跃值整体降低；在实验范围内测得的最大温度跳跃值为2.56℃。由于蒸发冷却效应和热毛细对流的耦合作用，蒸发界面下液相侧存在一个厚度为2 mm左右的温度均匀层，且壁面附近温度均匀层厚度大于中间区域厚度。在温度均匀层内，径向温度梯度诱导的热毛细对流将热量从壁面传输至气液界面以补偿蒸发所需汽化潜热；在温度均匀层以下，浮力对流和导热共同作用使得液相温度迅速升高。     

不同加热方式下环路热管蒸发器补偿器的可视化

为了探索不同加热方式对环路热管的启动及稳定运行性能的影响,对环路热管的蒸发器补偿器进行了可视化试验研究。环路热管以R245fa为工质,充液率为50%,分别采用了三种不同的热负载施加方法：蒸发器顶部加热、蒸发器上下同时加热、蒸发器底部加热。根据启动过程中蒸发器空腔内的主要相变模式不同,对应地分为3种启动模式：蒸发启动模式、蒸发沸腾混合启动模式、沸腾启动模式。结果发现：在5W启动过程中,蒸发沸腾混合模式和沸腾模式下的启动速度最快,并在蒸发器空腔气体槽道出口处伴有气泡溢出,分别历时760s、1180s,远小于蒸发启动模式的2370s。分析可知,环路热管的启动速度与蒸发器空腔内的初始液面及其平均液体消失速度密切相关。另外,为研究蒸发器空腔内液相工质的沸腾,对不同的启动模式下空腔内的气泡生长进行了探索。在稳定工况中,同热负载下不同加热方式的环路热管的热阻及补偿器液面高度都不相同,其中底部加热方式的环路热管热阻最小。经分析发现,同热负载下不同加热方式会影响蒸发器内液相工质的蒸发效率,同时也会改变补偿器液面高度和蒸发器向补偿器的漏热,进而影响环路热管性能。     

热泵蒸发器

热泵蒸发器是一种新型的蒸发器,又名热压缩蒸发器。其蒸发方法是将蒸发器出来的二次蒸汽,再经压缩机或透平机压缩至较高压力后,循环使用,补足蒸发热量,来减少蒸汽的消耗。该种设备,按实用经验证明有一定的经济效果。如加拿大波恩公司有每昼夜蒸发成50%浓度的纸浆黑液75吨规模的蒸发车间,藉热泵蒸发器蒸发亚硫酸盐纸浆黑液,自9%总固体物浓缩至50%总固体物时,可达16磅水/磅蒸汽的蒸发能力。若使用相同规模的常用六效蒸发器时,蒸发能力仅达4.85磅水/磅蒸汽。且使用热泵蒸发器,在这种规模下可获得蒸馏热水～100,000多加仑,若处理后可供其他车间使用。     

机载综合环控系统的热管理

利用燃油作为主要热沉，同时引入液体PAO与R134a作为辅助热沉，提出了一种环控系统热管理的新方案。空气压缩制冷子系统与高温PAO子系统以空气-PAO换热器为连接点，耦合为座舱与电子舱室1的热管理子系统；低温PAO子系统与蒸发压缩制冷循环以蒸发器为连接点，耦合为电子舱室2的热管理子系统。采用数学理论计算与计算机建模仿真研究相结合的方法，建立了空气-液体换热器、液-液蒸发器/冷凝器等主要元件的仿真模型，对环控系统进行性能分析。结果表明，在一定的引气温度和压力条件下，燃油作为主要热沉可以吸收大量的热量，同时各子系统的热量互补能够满足驾驶舱与电子舱的温度控制，保证其稳定、高效的运行。     

小管径CO2蒸发器换热性能

为进一步优化适用于低蒸发温度的CO₂蒸发器性能，建立CO₂翅片管式蒸发器数学模型，探究在低蒸发温度-35℃、制冷剂流量0.06 kg/s、进风干球温度-25℃、风速1—3.5m/s条件下，5种不同换热管径及流路数对CO₂蒸发器的换热量、传热特性、压降特性的影响，并搭建CO₂跨临界双级压缩制冷试验台对蒸发器进行性能测试，验证蒸发器模型的准确性与可靠性。研究结果表明：迎面风速的增加可以提高蒸发器换热特性和增大管内外侧压降，但迎面风速过大反而会使管内换热系数降低；小管径在CO₂蒸发器的应用，可以显著提高换热性能，5 mm管径蒸发器空气侧与制冷剂侧换热系数相比于6.35 mm管径换热器分别最大提高15%和45.91%;通过增加流路数可以明显改善小管径蒸发器压降过大问题，为用于低温制冷的CO₂蒸发器性能优化与推广提供参考。