太陽納米光子蒸餾膜的性能特性分析

收稿日期：2022-04-27

基金項目：中央高?；究蒲许椖浚∟S2021016）；江蘇省自然科學(xué)基金面上項目（BK20191276）

通信作者：岳 晨（1979—），女，博士、副教授，主要從事新能源儲能方面的研究。yuechen@nuaa.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0590 文章編號：0254-0096（2023）11-0147-08

摘 要：為有效改善蒸餾膜（MD）的高能耗問題，提出一種低能耗的太陽納米光子蒸餾膜（NESMD）組件，對其熱力學(xué)性能開展研究，并分析關(guān)鍵操作參數(shù)對其熱力學(xué)特性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，溫度極化是導(dǎo)致MD技術(shù)高能耗的主要內(nèi)因，NESMD組件采用面加熱方式進(jìn)行料液加熱，不存在溫度極化現(xiàn)象，因此具有顯著的節(jié)能優(yōu)勢。在相同進(jìn)料溫度和進(jìn)料速度下，NESMD組件相較于MD組件，溫度極化系數(shù)和熱效率均有顯著提升，NESMD組件熱效率受潛熱影響最大，可采取低進(jìn)料速度和高進(jìn)料溫度來提高熱效率；當(dāng)將聚乙烯醇（PVA）涂層作為功率輸入段時，NESMD和MD組件均存在最佳輸入段長度使得熱效率最大；NESMD組件相較于MD組件具有更好的拓展性和更長的活性長度。上述性能規(guī)律為進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：太陽能；蒸餾膜；溫度極化；納米光子；熱效率；活性長度

中圖分類號：TK519 """ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

蒸餾膜（membrane distillation，MD）是一種疏水微孔膜，其以熱為驅(qū)動力實現(xiàn)膜分離過程，可用于溶液的蒸發(fā)濃縮［1］。對比傳統(tǒng)熱法和膜法工藝，膜蒸餾具有能耗低、截留率高、可利用低品位熱源和可處理高含鹽水的獨特優(yōu)勢［2-3］。

盡管蒸餾膜具備以上優(yōu)勢，但其受溫度極化現(xiàn)象的限制，沿長度方向上進(jìn)料溫度有顯著降低，膜通量也降低，最終導(dǎo)致膜的熱效率降低［4］，因此蒸餾膜大面積應(yīng)用受到限制，如需提升蒸餾膜性能則需消耗更多的能源。改善太陽納米光子蒸餾膜（nanophotonics-enabled solar membrane distillation，NESMD）已成為現(xiàn)在科研工作者的研究重點。Summers等［5］將太陽能集熱與蒸餾膜集成至一個設(shè)備，構(gòu)成一種可利用太陽能直接加熱納米膜的新型氣隙納米蒸餾膜結(jié)構(gòu)，實驗結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的熱效率可達(dá)到普通蒸餾膜系統(tǒng)的2倍，且顯著提升了膜通量；Politano等［6］為能在高熱效率和低能耗下進(jìn)行鹽水淡化，通過在聚合物基質(zhì)中加入球形銀納米顆粒金屬顆粒，制備一種先進(jìn)的納米結(jié)構(gòu)的光熱膜蒸餾設(shè)備，使膜通量提升了11倍，克服了溫度極化效應(yīng)。Dongare等［7］使用炭黑納米顆粒溶解在聚乙烯醇中，并電紡沉積在聚偏二氟乙烯（PVDF）膜上，在普通的太陽光下和聚焦倍數(shù)為25倍的太陽光下進(jìn)行蒸餾膜性能實驗，熱效率得到大幅提升；高尚鵬［8］為制成PVDF/ATO納米纖維膜，使用PVDF做為制備膜的聚合物，引入納米級三氧化二砷（arsenic trioxide，ATO）粒子，測試其光熱性能，結(jié)果表明膜表面溫度大幅提高，膜通量也得到較大提升；李洪建等［9］開展太陽能空氣隙膜蒸餾實驗，采用無量綱分析法，研究該實驗系統(tǒng)膜通量的變化規(guī)律，建立高精度預(yù)測膜通量模型，為研究膜蒸餾實驗提供了極大的指導(dǎo)意義；習(xí)成思等［10］設(shè)計并搭建一套真空膜蒸餾系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過太陽能光熱-光電技術(shù)用以供能。研究不同天氣環(huán)境和太陽輻照度下膜蒸餾系統(tǒng)的供熱穩(wěn)定性、膜通量、累積產(chǎn)水量變化情況，分析得出膜冷側(cè)真空度與進(jìn)料溫度對系統(tǒng)產(chǎn)水性能的影響較大。由此可見，通過蒸餾膜表面的改性優(yōu)化來提升蒸餾膜的性能和效率，已受到科研人員的高度重視。但目前研究多采用實驗方法來進(jìn)行研究，重點對NESMD技術(shù)中膜的光熱特性開展研究。

本文通過ANSYS Fluent軟件實現(xiàn)NESMD的膜蒸餾過程，并進(jìn)行可靠性驗證后，重點研究NESMD的溫度極化、熱效率的改善情況，并分析重要參數(shù)對蒸餾膜組件的影響效果，以及與相同條件下的MD組件進(jìn)行對比，為蒸餾膜的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 模 型

1.1 物理計算模型的建立

本文NESMD組件的光熱涂層采用由溶解了炭黑納米顆粒（carbon black nanoparticles，CBNP）的聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）構(gòu)成，并將其電紡沉積在蒸餾膜上，成為一種可吸收太陽輻射能，并可進(jìn)行局部面加熱的特殊蒸餾膜。其原理結(jié)構(gòu)圖由圖1所示。

本文所采用模型為直接接觸式蒸餾膜組件，主要由料液通道、滲透側(cè)通道和中間的PVDF平板蒸餾膜組成。由于蒸餾膜上電紡了溶解CBNPs顆粒的PVA層，因此需對模型稍作改進(jìn)。圖2為NESMD組件物理模型。

構(gòu)建的NESMD組件模型尺寸參數(shù)如表1所示。

1.2 模型假設(shè)

為確保系統(tǒng)平穩(wěn)運行并簡化計算，進(jìn)行如下假設(shè)：

1）忽略重力影響；

2）膜組件壁面絕熱；

3）膜蒸餾整個過程為穩(wěn)態(tài)；

4）溶質(zhì)無法透過蒸餾膜，截留率可認(rèn)為是100%。

1.3 膜蒸餾的傳質(zhì)機(jī)理

對于傳質(zhì)計算，本文選取過渡模型進(jìn)行計算，由于兩側(cè)不存在總壓梯度，因此本文忽略Poiseullle流動。膜的傳質(zhì)通量可由式（1）計算［11］。

[Jv=CmΔp]"" （1）

式中：[Jv]——膜通量，kg/（m2·h），；[Cm]——跨膜傳質(zhì)系數(shù)，kg/（m2·h·Pa）；[Δp]——膜兩側(cè)表面的蒸氣壓差，Pa。

在跨膜傳質(zhì)中，努森擴(kuò)散和分子擴(kuò)散都發(fā)揮了重要作用，跨膜傳質(zhì)系數(shù)[Cm]可由式（2）計算［12-13］。

[Cm=3τδ2εγπRTm8M0.5+τδpaRTmεpDM-1]"""" （2）

式中：[ε]——孔隙率；[γ]——膜孔半徑，m；[τ]——膜孔彎曲度；[δ]——膜的厚度，m；[M]——水的分子量，kg/mol；[R]——氣體常數(shù)，J/（mol·K）；[Tm]——膜孔內(nèi)的平均水蒸氣溫度，K；[pa]——空氣分壓力，Pa；[p]——膜孔內(nèi)部總壓強(qiáng)，Pa，其與[D]的乘積是溫度的一個函數(shù)，可由式（3）計算［14］。

[pD=1.875×10-5Tm2.072]"" （3）

1.4 膜蒸餾的傳熱模型

膜的熱平衡方程必須為膜兩側(cè)的對流換熱量與透過膜的熱量相等，由式（4）計算表示［15-16］。

[hf（Tbf-Tmf）=JvHv+hm（Tmf-Tmp）=hp（Tmp-Tbp）]"" （4）

式中：[hf]——進(jìn)料側(cè)傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；[hm]——膜界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2·K）；[hp]——滲透側(cè)傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；Tbf——料液側(cè)的主體溫度，K；[Tmf]——進(jìn)料側(cè)膜界面溫度，K；[Tbp]——滲透側(cè)的主體溫度，K；[Tmp]——滲透測膜界面溫度，K；[Hv]——比熱，J/（kg·K）。

雷諾數(shù)和普朗特數(shù)由式（5）和（6）計算得到［17］。

[Ref，p=vdρμ]"""" （5）

[Prf，p=μcpk] （6）

下一步是計算努塞爾數(shù)，由式（7）得到［18］。

[Nuf，p=0.097Re0.73Pr0.13bPrb/Prwall0.25]"""""" （7）

式中：[Prwall]——反映在進(jìn)料或滲透側(cè)膜界面溫度下的流體性質(zhì)的普朗特數(shù)。

在得到進(jìn)料側(cè)和滲透側(cè)的努賽爾數(shù)后，則進(jìn)料側(cè)和滲透側(cè)的傳熱系數(shù)可由式（8）得到［19］。

[hf，p=Nuf，p?kd]"""" （8）

最后需通過式（9）計算膜的界面溫度來計算膜的傳質(zhì)過程［20］：

[Tmf=Tbfhf+hmTbp+Tbfhfhp-JvHvhf1+hmhp+hm]"" （9）

由計算得出膜界面處的溫度后，根據(jù)膜界面處的溫度通過計算得到蒸發(fā)的水蒸氣比熱[Hv]，如式（10）所示。

[Hv="（-0.001351Tmf2-1.4461Tmf"+"2986.5）"×1000]"""""" （10）

由以上蒸餾膜的傳熱和傳質(zhì)過程可知，膜側(cè)溫度和膜通量存在相互對應(yīng)和作用的關(guān)系，因此整個膜的計算是一個迭代過程。

1.5 邊界條件及求解過程

CFD模擬的邊界條件為：

料液側(cè)及滲透側(cè)入口：速度入口，壓力為常壓。料液側(cè)及滲透側(cè)出口：壓力出口。料液側(cè)及滲透側(cè)膜面：熱通量通過UDF加載到膜表面的第一層網(wǎng)格處。模組上下表面：無滑移壁面，無傳質(zhì)及傳熱。

本文采用壓力基隱式求解器，壓力與速度耦合求解方法為SIMPLE算法。

1.6 網(wǎng)格劃分

由于本文模型規(guī)整，且在計算蒸餾膜的傳質(zhì)和傳熱過程是一個迭代過程，需使用UDF獲取第一層網(wǎng)格的數(shù)據(jù)，因此采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。在蒸餾膜組件的高度方向上加密網(wǎng)格。蒸餾膜中部存在PVA吸熱涂層，需對吸熱涂層部分單獨分離進(jìn)行劃分，用于添加吸熱涂層部分的UDF。總網(wǎng)格數(shù)60224，網(wǎng)格質(zhì)量為1。

1.7 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

利用ICEM對計算域進(jìn)行結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分，在膜表面附近的流場和溫度場存在較大的速度和溫度梯度，若網(wǎng)格取值過大會對第一層網(wǎng)格上的取值參數(shù)產(chǎn)生影響，因此在兩側(cè)進(jìn)行了網(wǎng)格加密，以保證足夠的計算精度和空間分辨率。當(dāng)料液側(cè)入口溫度為40 ℃，速度為1 cm/s，滲透側(cè)進(jìn)口溫度為20 ℃，滲透側(cè)進(jìn)口速度為4 cm/s，進(jìn)料的Na2SO4質(zhì)量濃度為5%時，網(wǎng)格數(shù)分別為10000、20000、30000、40000、50000和60000對應(yīng)的膜通量如圖3所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加至50000時膜通量不再變化，因此后續(xù)計算所用網(wǎng)格數(shù)應(yīng)大于50000。

1.8 性能評價指標(biāo)

為量化蒸餾膜的性能提升程度，需制定一些性能評價指標(biāo)。

溫度極化系數(shù)（[θ]）的計算式由式（11）表示.

[θ=Tmf-TmpTbf-Tbp]" （11）

式中：[Tmf]——膜界面處料液溫度，K；[Tmp]——滲透側(cè)冷卻水溫度，K；[Tbf]——料液側(cè)的主體溫度，K；[Tbp]——滲透側(cè)的主體溫度，K。[θ]越大則極化現(xiàn)象越弱，蒸餾膜的性能就越好。

熱效率（[σ]）的計算由式（12）表示。

[σ=QLQL+QC]""" （12）

式中：[QL]——穿過膜面潛熱量，kW；[QC]——通過膜傳到的熱量，kW。引入熱效率來量化膜蒸餾過程能量利用與損耗情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 模型驗證

為驗證模型的準(zhǔn)確性，將所建模型的模擬值與文獻(xiàn)實驗值進(jìn)行對比。本文與文獻(xiàn)［7］采用的蒸餾膜參數(shù)見表2。研究在該進(jìn)料條件下的膜側(cè)溫度和膜通量沿蒸餾膜長度方向上的變化情況，模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好，由圖4可得計算模型的最大誤差為7%，平均誤差為4.7%。

在NESMD組件中，進(jìn)料液和進(jìn)冷卻水采用逆流方式，冷卻水溫度為20 ℃，冷卻水進(jìn)入速度為4.34 cm/s，太陽輻照度為1 kW/m2。為在相同條件下比較MD和NESMD組件，因此需保證輸入功率一定，即在NESMD輻射密度的能量將相等的輸入到進(jìn)入MD組件的能量，所以在不同進(jìn)料速度下，MD組件的進(jìn)料溫度不同。基于這種條件下進(jìn)行進(jìn)料速度的影響效果研究。

圖5為不同速度下NESMD的膜兩側(cè)溫度分布情況，料液側(cè)進(jìn)料從蒸餾膜組件的右側(cè)0.081 m處進(jìn)料，滲透側(cè)的冷卻水從左側(cè)的0 m處進(jìn)入。由于較慢的進(jìn)料速度會給靠近

膜表面的料液有更多的時間從吸熱涂層上吸收熱量，因此在低進(jìn)料速度下膜兩側(cè)溫差比高進(jìn)料速度下的溫差要大。這與MD組件有著完全相反的趨勢，對于MD組件，更高的進(jìn)料速度會減少沿流動方向上的熱量損失，因此高進(jìn)料速度對于MD組件的性能提升更加有利。

由圖5可知，在進(jìn)料速度為0.02 cm/s時，膜測料液流過沉積有PVA涂層的蒸餾膜時，會呈現(xiàn)出溫度先升高后降低的趨勢，但在較高的進(jìn)料速度下呈現(xiàn)出持續(xù)增高的趨勢。這是由于在較低進(jìn)料速度下，較高的膜側(cè)溫度會讓更多的潛熱量從料液側(cè)轉(zhuǎn)移到滲透側(cè)，這時太陽輻射所能補(bǔ)給的能量會小于從料液側(cè)轉(zhuǎn)移到滲透側(cè)的能量。在較高的進(jìn)料速度下，靠近膜側(cè)的料液溫升較小，輻射能量可持續(xù)供應(yīng)，因此隨著蒸餾膜長度方向上呈現(xiàn)出溫度逐漸升高的趨勢。

圖6為NESMD和MD溫度極化系數(shù)隨蒸餾膜長度的變化，由于逆流進(jìn)料的原因，在NESMD組件中無PVA涂層的部分會存在滲透側(cè)溫度比料液側(cè)溫度高的現(xiàn)象，與實際應(yīng)用現(xiàn)象不符，因此僅考慮有PVA涂層的長度部分。由圖6可知，在NESMD組件中，溫度極化系數(shù)會大于1，因為該輻射密度下的能量大于該進(jìn)料溫度下的潛熱量和導(dǎo)熱量，料液膜側(cè)溫度高于料液主體溫度。在NESMD組件中，高流速下的溫度極化系數(shù)也更高，這是因為高進(jìn)料速度下料液側(cè)主體溫度變化不大，溫度極化計算公式中得分母較小。溫度極化系數(shù)會在蒸餾膜為0.06～0.07 m出現(xiàn)陡增是因為剛進(jìn)入PVA涂層范圍的料液溫度較低，熱流密度所提供的熱量遠(yuǎn)高于潛熱，因此膜側(cè)溫度變化最快，最后導(dǎo)致溫度極化系數(shù)增長較快，MD組件的溫度極化系數(shù)總會低于1。

與溫度極化系數(shù)相同，熱效率的考慮區(qū)域也僅選取有PVA涂層的蒸餾膜區(qū)域進(jìn)行探究，圖7為不同進(jìn)料速度下NESMD和MD熱效率隨蒸餾膜長度的變化。針對NESMD組件，在較低的進(jìn)料速度下熱效率較高，這是因為低進(jìn)料速度下的膜側(cè)溫度更高，透過膜的潛熱也更多。在0.06～0.07 m時，熱效率隨進(jìn)料流動方向有一個陡增，這是因為料液剛接觸到PVA涂層時，膜側(cè)溫度有較大提升，潛熱量也顯著提升，因此熱效率會有一個陡增效果。

針對MD組件，為保持輸入功率相同，低進(jìn)料速度下的進(jìn)料溫度也較高，所以熱效率更高。而隨著蒸餾膜長度增加，低進(jìn)料速度下的料液膜側(cè)溫度下降的更快，因此在流動后段的熱效率更低。

圖8為在不同孔隙率下NESMD組件和MD組件的膜通量隨進(jìn)料速度的變化。其中MD進(jìn)料溫度與NESMD組件中的太陽能輸入功率相匹配。由圖8可知，NESMD組件的膜通量變化與MD組件呈現(xiàn)出完全相反的趨勢，MD組件的膜通量會隨進(jìn)料速度的增加而上升，但對于NESMD組件中的膜通量會隨進(jìn)料速度的增加而下降，在低進(jìn)料速度下有著較為突出的性能體現(xiàn)，這些都是由于靠近膜表面的溫度梯度所引起的變化。對于NESMD組件，較慢的進(jìn)料速度會給靠近膜表面的料液有較多的時間從吸熱涂層上吸收熱量，從而使靠近膜處的料液有較高的溫度，會使傳輸驅(qū)動力加大，而對于MD，在料液進(jìn)入膜組件之前會進(jìn)行加熱，更高的進(jìn)料速度會減少其沿膜進(jìn)料流動方向上的熱量損失。從圖8還可看出，孔隙率也是影響膜通量的因素之一，越高的孔隙率意味著有更多的水蒸氣可越過蒸餾膜，因此增大孔隙率也可作為增加膜通量的手段之一。

2.2 進(jìn)料溫度對NESMD組件的影響

本節(jié)的料液和冷卻水采用逆流方式，冷卻水溫度為20 ℃，冷卻水進(jìn)入速度為4.34 cm/s，料液側(cè)速度為0.5 cm/s，太陽輻照度為1 kW/m2。

圖9為不同進(jìn)料溫度下NESMD和MD溫度極化系數(shù)隨蒸餾膜長度的變化。由圖9可知，對于MD組件，溫度極化系數(shù)隨進(jìn)料溫度的降低而升高，原因在于：低進(jìn)料溫度下溫度極化系數(shù)公式中的分母值較小；其次，不同進(jìn)料溫度下的膜側(cè)溫度增長與進(jìn)料溫度的增長不相同，高進(jìn)料溫度下有著更大導(dǎo)熱和潛熱量，料液膜側(cè)溫度下降速率比低進(jìn)料溫度下降的更快。綜合以上兩點，低進(jìn)料溫度下的溫度極化系數(shù)更高。在MD組件中，沿進(jìn)料方向溫度極化系數(shù)有一個陡降過程，這是由于剛進(jìn)入組件時的料液溫度最高，此時所產(chǎn)生的膜通量和導(dǎo)熱量最大，膜側(cè)溫度下降也最為迅速，而在料液流動后段會有一個陡升過程，是因為剛進(jìn)入膜組件的滲透側(cè)膜側(cè)溫度最低。

對于NESMD組件，在相同進(jìn)料溫度下，溫度極化系數(shù)更高，這是因為輻射密度產(chǎn)生了膜側(cè)升溫，30 ℃進(jìn)料溫度的NESMD溫度極化系數(shù)相較于MD增幅10.8%，35 ℃下增幅7.25%，40 ℃下增幅5.38%，由此可見輻射密度與進(jìn)料溫度是相匹配時最為合適。

圖10為不同進(jìn)料溫度下NESMD和MD熱效率隨蒸餾膜長度的變化。由圖10可知，NESDM組件在高進(jìn)料溫度下的熱效率更高，熱效率沿流動方向而逐漸降低。膜的驅(qū)動力隨溫度上升逐漸增大，潛熱顯著增加，進(jìn)料溫度從30 ℃上升到35 ℃時平均潛熱和導(dǎo)熱分別提升152.7%和138.5%，從35 ℃上升到40 ℃時分別提升140%和125%，熱效率也會顯著上升。沿料液的流動方向熱效率逐漸降低，這是由于在流動方向上膜兩側(cè)的溫度梯度逐漸減小，潛熱作用發(fā)揮較小，當(dāng)流動長度過長時，導(dǎo)熱量會大于潛熱量。由于在進(jìn)料入口處潛熱最大，料液側(cè)溫度降幅最大，且在進(jìn)料初期潛熱量占總熱量的比例較大，因此進(jìn)料初期時的熱效率下降速率最大。由圖10可知，NESMD的熱效率顯著高于MD，因為在PVA涂層提升了料液膜側(cè)溫度，減緩了潛熱量下降速率，所以NESMD組件在相同進(jìn)料溫度下有著更高的熱效率。

圖11是在恒定太陽輻照度為1000 W/m2時，進(jìn)行的不同進(jìn)料溫度對NESMD和MD膜通量的影響研究。由圖11可知，在該太陽輻照度下，當(dāng)進(jìn)料溫度為30～40 ℃時，膜通量都有較大的提升，分別提升20.4%、14%和10.7%。當(dāng)進(jìn)料溫度較低時，該太陽輻照度所能提升的膜通量幅度也最大，這是在該進(jìn)料溫度下，蒸餾膜組件中從料液側(cè)傳遞到滲透側(cè)的導(dǎo)熱和潛熱之和是大于PVA涂層所傳遞的熱功率，因此在PVA涂層在蒸餾膜中僅能起到放緩料液膜側(cè)的溫度下降速率的作用，所以最終起到的效果為NESMD組件中的膜通量與MD膜通量的變化趨勢相同，僅是NESMD組件中的膜通量高于MD組件中的膜通量。

2.4 NESMD組件的長度擴(kuò)展性研究

蒸餾膜組件在實際使用過程中需較大的面積，因此蒸餾膜長度拓展對蒸餾膜性能有著重要意義。本節(jié)通過延長蒸餾膜長度并設(shè)計不同的加熱方案來研究NESMD和MD組件的實際應(yīng)用價值。

圖12是在進(jìn)料溫度與冷卻水溫度相同時，不同總長度下（[Ltot=0.25、]0.75和1.00 m）MD組件和NESMD組件的熱效率隨[Lsun]變化。由圖12可知，NESMD組件的熱效率在隨[Lsun]有一個極小的增幅，達(dá)到最大值后會迅速下降。由于整個NESMD組件均有PVA涂層吸熱，因此吸熱量是固定的，當(dāng)[Lsun]的長度增加時，料液在[Ltot-Lsun]段可在較高的溫度下放出更多的潛熱量，但[Lsun]長度越長，則膜蒸餾的面積越小，潛熱量也會減小，因此會出現(xiàn)效率的最大值。對于MD組件，熱效率存在最大值，由于吸熱量全部是由[Lsun]段提供，當(dāng)[Lsun]較短時，蒸餾膜段的潛熱量也較小，當(dāng)[Lsun]過長時，潛熱量雖然增大，但蒸餾膜面積減小了，只有當(dāng)[Lsun]中的溫度增益與蒸餾膜區(qū)域的的蒸發(fā)過程相平衡時才達(dá)到效率的最大值。

圖13是對MD組件和NESMD組件的加熱方案的示意圖。在MD和NESMD組件中，組件總長度為[Ltot]，組件前段PVA涂層沉積在一種絕熱板上來對進(jìn)料進(jìn)行加熱，此段可視為是單純的功率輸入段（[Lsun]），在后段的蒸發(fā)段（[Ltot-Lsun]）發(fā)生膜蒸餾作用。NESMD組件中后段的蒸餾膜上仍涂有PVA涂層，而在MD組件中是普通的蒸餾膜。通過改變功率輸入段（[Lsun]）長度來研究組件的性能規(guī)律。本節(jié)的料液和冷卻水采用順流方式，膜組寬度5 cm，冷卻水速度為4.34 cm/s，料液側(cè)的進(jìn)料速度為0.5 cm/s，太陽輻照度為1 kW/m2。

圖14為不同[Lsun]長度下NESMD和MD膜通量隨蒸餾膜長度的變化，從圖14中可知，NESMD組件的膜通量總高于MD組件，PVA涂層在膜蒸餾過程中起到提升性能的作用。在圖14中可看到[Lsun]為10 cm時，被方框框起來的MD組件的膜通量已降為負(fù)值，已不是可產(chǎn)生膜通量的活化區(qū)域，無法正常實現(xiàn)膜蒸餾過程。所以結(jié)合圖15中的活化區(qū)域隨蒸餾膜長度的變化規(guī)律可知，在相同進(jìn)料溫度下NESMD組件可維持更長的活化區(qū)域，更有利于整個膜組的擴(kuò)展，由于具有PVA層的持續(xù)供熱，當(dāng)潛熱量與導(dǎo)熱量之和與太陽輻照度達(dá)成平衡時就可持續(xù)進(jìn)行膜蒸餾過程，更有利于膜的拓展應(yīng)用。

3 結(jié) 論

為深入探究NESMD組件的溫度極化現(xiàn)象和拓展性，本文在實驗數(shù)據(jù)驗證的基礎(chǔ)上，研究了蒸餾膜中關(guān)鍵參數(shù)對溫度極化系數(shù)和熱效率的影響規(guī)律，并將MD組件和NESMD進(jìn)行比較，直觀探究了性能的提升效果，得到如下結(jié)論：

1）進(jìn)料速度的影響效果如下：較低的進(jìn)料速度下，NESMD膜兩側(cè)的溫差較大，與MD趨勢完全相反；NESMD組件的溫度極化系數(shù)遠(yuǎn)大于MD組件，MD組件的溫度極化系數(shù)總會低于1；熱效率受傳質(zhì)驅(qū)動力影響最大，因此較小的進(jìn)料速度有著更大的熱效率。

2）進(jìn)料溫度的影響效果如下：高進(jìn)料溫度下膜側(cè)溫度下降速率更快，溫度極化系數(shù)也更小；熱效率受潛熱的影響最大，在高進(jìn)料溫度下的潛熱占據(jù)主導(dǎo)，熱效率也較高。

3）對蒸餾膜組件采取不同加熱方案，并進(jìn)行拓展加長，NESMD組件的熱效率一直高于MD組件。對于加長的組件，NESMD有著更長的活化區(qū)域，有著更好的拓展的效果。

4）在實際運行過程中，太陽輻照度一般難以達(dá)到1 kW/m2，另外還將發(fā)生動態(tài)變化，可采取建議：采用聚焦輻射能的方式，將太陽輻照度控制在設(shè)計的范圍內(nèi)；采取長尺寸的膜，增加蒸餾膜組件長度，充分使用活化區(qū)域；采取先不加熱水，使用普通蒸餾膜蒸發(fā)，后進(jìn)入涂層膜，充分利用低溫余熱再加熱。

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PERFORMANCE ANALYSIS OF SOLAR NANO PHOTONIC

DISTILLATION FILM

Yue Chen，Cao Youkun，Peng Youde

（College of Energy and Power Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016，China）

Abstract：In order to decrease the high energy consumption of the conventional membrane distillation （MD） technology， a novel Nanophotonics-enabled solar membrane distillation （NESMD） is proposed to substitute the MD， and its overall thermodynamic performance was studied through analyzing the key operational parameters influence on overall thermodynamic performance. The investigation results show that the volume heating to heat the feed liquid causes the temperature polarization and the correspondingly high energy consumption of MD component， and the NESMD component adopts the surface heating to heat the feed liquid， and there is no temperature polarization， so it demonstrates significant energy-saving advantages. Under the same feed temperature and feed speed， the temperature polarization coefficient and thermal efficiency of NESMD component are significantly improved compared with MD module. The thermal efficiency of NESMD component is most affected by of solvent latent heat， and the low feed speed and high feed temperature can be adopted to improve its thermal efficiency. When PVA coating is used as power input section， and the maximum thermal efficiency values are achieved at the optimal input section length for both NESMD and MD components. NESMD module has better expansibility and longer active length than these of the MD module. The above performance laws provide a scientific basis for further optimizing the structure.

Keywords：solar energy； membrane distillation； temperature polarization； nano photonic； thermal efficiency； active length