基于真空U型管太阳能集热器的加湿-冷凝废水回收系统性能与可行性分析

为解决淡水短缺问题，研究人员开发了一种新型可持续的太阳能驱动加湿-冷凝(HDH)废水回收系统(SCHW)，通过真空U型管太阳能集热器结合气泡柱加湿器和V型挡板冷凝器，实现了高效淡水提取。研究建立了热力学模型并采用有限差分法求解，验证了系统在热湿交换(MEE)、冷凝器能量交换(WCEE)和淡水提取率(WER)方面的优异性能，在炎热干燥气候下WCEE和WER分别可达0.8 kW/m2和0.78 L/h-m2。该研究为可再生能源驱动的分散式水处理提供了创新解决方案。

　　

随着全球淡水资源日益紧缺，如何高效回收利用废水成为重大挑战。传统海水淡化技术如反渗透(RO)能耗高且依赖电力，而太阳能驱动的加湿-冷凝(HDH)技术因其利用低品位热源的特点备受关注。然而现有HDH系统存在加湿效率低、冷凝效果差等问题，特别是在气候炎热的缺水地区，亟需开发更高效的太阳能驱动废水回收方案。

印度国立鲁尔克拉理工学院(National Institute of Technology Rourkela)机械工程系可持续热能系统实验室(STESL)的研究人员创新性地将真空U型管太阳能集热器与气泡柱加湿器、V型挡板冷凝器相结合，构建了新型太阳能驱动加湿-冷凝废水回收系统(SCHW)。相关研究成果发表在《Water-Energy Nexus》上。

研究人员主要采用有限差分法(FDM)建立热力学模型，通过实验验证了气泡柱加湿器(误差±12%)和V型冷凝器(误差±10%)的性能。系统评估采用了能量交换(MEE)、冷凝器能量交换(WCEE)和水提取率(WER)等关键指标，并针对印度不同气候区进行了可行性分析。

研究结果显示，气泡柱加湿器实现了80%的加湿效率，显著高于传统填料塔(45-55%)和膜接触器(65-75%)。通过参数分析发现，太阳能出口水温对系统性能影响最大，当温度从35℃升至70℃时，WCEE提升90%，WER增加86%。在最优条件下，系统可实现最大WCEE 1.37 kW/m²和WER 1.445 L/h-m²。

气候适应性研究表明，在印度拉贾斯坦邦的干旱地区，系统表现最佳，WCEE和WER分别达到0.84 kW/m²和0.145 L/h-m²。相关性分析表明，加湿空气比湿度(ω_ii)对MEE影响最大(r=-0.92)，而入口空气温度(T_i)是WCEE(r=-0.96)和WER(r=0.98)的关键影响因素。

该研究通过创新的系统设计和全面的性能评估，证明了SCHW在太阳能丰富的干旱地区具有显著优势。相比传统技术，该系统仅需250-350 kWh/m³的热能输入，且无需高压泵或化学处理，特别适合偏远地区分散式应用。研究不仅提供了具体的设计参数和运行策略，还为不同气候条件下的系统优化提供了重要参考，对推动可持续水处理技术的发展具有重要意义。