ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЛНЕЧНОГО ОПРЕСНИТЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КАПИЛЛЯРНО-СТРУКТУРИРОВАННОЙ ПОРИСТОЙ СРЕДЫ: ТРЁХМЕРНЫЙ ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ВАЛИДАЦИЯ

Аннотация

Данное исследование представляет собой комплексную трёхмерную сопряжённую численную модель солнечного опреснительного устройства, включающего капиллярно-структурированную пористую мембрану (CPM). Управляющие уравнения, охватывающие сопряжённый теплообмен, капиллярно-обусловленный массоперенос, уравнения импульса Дарси-Бринкманна и межфазное испарение по формулировке Герца-Кнудсена, решаются совместно с использованием адаптивного метода конечных объёмов (FVM) на сетке, содержащей 6,4×10 6 контрольных объёмов, с достижением ошибки второго порядка L 2, равной 0,28%. Параметрическая оптимизация по пористости (φ=0,20 - 0,90) и диаметру капилляров (d=10 -20 0 мкм) позволила определить глобальный оптимум при φ=0,65 и d=35 мкм, обеспечивающий максимальную тепловую эффективность η=83,7 ± 2,2% и суточную производительность по пресной воде 14,8 ± 0,8 кг/м 2 ·сут при солнечной радиации 1000 Вт/м 2, что на 97.9% превышает показатели традиционных плоских абсорберов. Солнечная опреснительная установка на основе капиллярно-структурированной пористой мембраны (CPM) была исследована с использованием трёхмерной математической модели, основанной на уравнениях Дарси–Бринкмана–Форхгеймера. Уравнения теплопереноса, массопереноса и импульса с учётом капиллярных сил решались совместно в связанной постановке. Адаптивный метод конечных объёмов (FVM) был реализован со вторым порядком точности на вычислительной сетке, содержащей 6,4×10 6 контрольных объёмов. Проведена параметрическая оптимизация в диапазоне пористости φ=0,20–0,90 и диаметра капилляров d=10 - 200 μm. Результаты модели были верифицированы с использованием лабораторных экспериментов. Кинетика испарения описывалась уравнением Герца–Кнудсена, а транспорт солей моделировался с помощью реакционно-конвективно-диффузионного уравнения. При оптимальной конфигурации φ=0,65 и d=35 μm тепловая эффективность достигла η=83,7±2,2%, а суточная производительность составила 14,8±0,8 кг/м 2 ·сут. Эти показатели превышают характеристики традиционного плоского абсорбера на 97,9% и 185% соответственно. Численная модель показала высокое совпадение с экспериментальными данными: средняя абсолютная ошибка (MAE) составила 1.9%, а коэффициент детерминации R 2 =0,9974. Капиллярный латеральный поток снизил концентрационную поляризацию на 44,3% и уменьшил общее содержание растворённых веществ в выходной воде до 62±12 мг/л, что в 8 раз ниже предельно допустимого уровня по стандартам ВОЗ. Оптимальное значение пористости (φ≈0,645) сохранялось независимо от уровня солнечной радиации. По сравнению с традиционным абсорбером капиллярная система снизила солесодержание с 480 мг/л до 62 мг/л, существенно улучшив качество очищенной воды.

Ключевые слова

Литература

1. WWAP. The United Nations World Water Development Report 2023: Partnerships and Cooperation for Water. UNESCO, Paris, 2023.
2. Elimelech M, Phillip WA. The future of seawater desalination: energy, technology, and the environment. Science 2011;333(6043):712 – 717. https://doi.org/10.1126/science.1200488
3. Tao P, Shang W, Song C, Shen Q, Zhang F, Luo Z, et al. Solar-driven interfacial evaporation. Nature Energy 2018;3(12):1031 – 1041. https://doi.org/10.1038/s41560-018-0260-7
4. Wang Z, Ye Q, Liang X, Xu J, Chang C, Song C, et al. Paper-based membranes on silicone floaters for efficient and fast solar-driven interfacial evaporation under one sun. J Mater Chem A 2017;5(31):16359 – 16368.
5. Chen C, Li Y, Song J, Yang Z, Kuang Y, Hitz E, et al. Highly flexible and efficient solar steam generation device. Adv Mater 2017;29(30):1701756.
6. Ito Y, Tanabe Y, Han J, Fujita T, Tanigaki K, Chen M. Multifunctional porous graphene for high-efficiency steam generation by heat localization. Adv Mater 2015;27(29):4302 – 4307.
7. Ghasemi H, Ni G, Marconnet AM, Loomis J, Yerci S, Miljkovic N, et al. Solar steam generation by heat localization. Nature Commun 2014;5:4449.
8. Zhou L, Tan Y, Wang J, Xu W, Yuan Y, Cai W, et al. 3D self-assembly of aluminium nanoparticles for plasmon-enhanced solar desalination. Nature Photon 2016;10(6):393 – 398.
9. Liu Z, Song H, Ji D, Li C, Cheney A, Liu Y, et al. Extremely cost-effective and efficient solar vapor generation under nonconcentrated illumination. Global Challenges 2017;1(2):1600003.
10. Hu X, Xu W, Zhou L, Tan Y, Wang Y, Zhu S, et al. Tailoring graphene oxide-based aerogels for efficient solar steam generation under one sun. Adv Mater 2017;29(5):1604031.
11. Zhou L, Tan Y, Ji D, Zhu B, Zhang P, Xu J, et al. Self-assembly of highly efficient, broadband plasmonic absorbers for solar steam generation. Sci Adv 2016;2(4):e1501227.
12. Chen C, Kuang Y, Hu L. Challenges and opportunities for solar evaporation. Joule 2019;3(3):683 – 718.
13. Dang C, Jia L, Lu Q. Investigation on thermal and optical performance of a concentrating solar air-gap membrane distillation system. J Membr Sci 2016;508:56 – 68.
14. Tao F, Zhang Y, Yin K, Cao S, Chang X, Lei Y, et al. Numerical simulation of solar-driven evaporation in porous media. Appl Therm Eng 2020;165:114591.
15. Гайимназаров, И. Х. (2024). НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ РАСХОДА НАНОСОВ В УСЛОВИЯХ НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕЧЕНИЯ. Oriental renaissance: Innovative, educational, natural and social sciences, 4(4), 317-324.
16. Wang Z, Liu S, Tang Y, Zhao D. Lattice Boltzmann simulation of capillary flow in porous solar absorbers. J Fluid Mech 2022;938:A21.
17. Tsuruta T, Nagayama G. Molecular dynamics studies on the condensation coefficient of water. J Phys Chem B 2004;108(5):1736 – 1743.
18. Hu X, Xu W, Zhou L, Tan Y, Wang Y, Zhu S, et al. Graphene aerogel as solar steam generator. Adv Mater 2017;29(5):1604031.