研究背景
高性能、高性价比、单相和两相传热组件是各种功能设备中的关键系统元件。最近对各种对流传热增强技术的研究受益于当前制冷/HVAC、汽车和半导体系统中使用的组件的能源效率。改进后的系统成本效益已经通过更复杂、新颖的传热几何形状的低成本制造和改进的制造技术、从日益强大的热流体优化计算工具中获得的设计见解以及对如何进行更深入的理得以实现。通过表面工程方法操纵固-液-气界面。在热蒸发驱动的水处理系统中，采用传热和热回收系统创新的速度较慢。
限制该技术发展的主要原因是缺乏以海水为工作流体的新技术的实验传热数据，与其他行业常用的制冷剂和淡水相比，海水具有不同的传热特性。热力淡化厂的生命周期也很长（>20年），导致人员流动率低，测试和展示新技术的机会减少。最后，常见的脱盐进料流中的腐蚀性和高比例的微溶盐会提高热交换表面的腐蚀和结垢程度。因此，传热创新被推广到广泛的水处理系统应用往往会遇到更多的阻力来。
为解决上述问题，美国斯坦福大学以“ Heat transfer innovations and their application in thermal desalination processes ”为题在国际顶刊《Joule》（IF=41.25）上发表论文。
研究内容
尽管与新兴的非热能替代品相比，热能海水淡化技术的资本和能源成本较高，但对盐水浓缩和结晶的热能技术的熟悉程度使其能够广泛部署。本文批判性的审查和分析评估了近期制造设备创新的潜力，以改善传热和传质，从而显着降低这些热脱盐技术的生命周期成本。作者确定了三种有前途的创新应用，包括通过增材制造实现的新型传热几何形状、促进滴状冷凝的新兴表面工程方法以及基于聚合物/聚合物复合材料的新型传热组件。基于这些材料和工艺优化对成本和性能影响的估计，作者发现基于聚合物/聚合物复合材料的传热装置在短期内具有最大的降低水单位成本的潜力。在整个审查过程中，作者还强调了剩余的研究差距和未实现的技术经济目标，这些目标将受益于传热和海水淡化社区之间的未来调查和合作。
研究结果
图 1绘制了特定能源消耗的图表。当前典型/最先进的多级闪蒸 (MSF)、多效蒸馏 (MED) 和机械蒸汽压缩 (MVC) 脱盐工艺。即使采用当前最先进的技术，这些热脱盐过程也非常耗能。热脱盐的效率依赖于分离的相变，水的汽化潜热通常比理论最小分离能量高几个数量级。虽然更节能的设计试图通过蒸汽再压缩最大限度地回收潜热，但由于单个传热组件的效率低下，当前系统受到火用破坏的限制。传热设备的资本成本供热设施的运营成本占单位产品成本的很大一部分，并为实施更便宜的传热材料和更有效的传热设计提供了可能。
图1. 热脱盐系统的特定能源消耗和成本分解概述 (A) 当前典型和最先进的 MSF 的总特定能源消耗（结合热和电，电气组件显示为倾斜填充）的估计值， MED 和 MVC 过程覆盖了 25 ℃ 海水在 40,000 ppm TDS 下的热力学理论最小分离能量，回收率为 40%。上限和下限范围是根据文献中报道的较高强度/较低强度范围的平均值确定的。(B) 根据 Bhojwani 等人、Wade、和 Sadeghi.的平均估算值。
图2. MED、VC 和 MSF 系统中的基本传热过程 (A) 带有下降管蒸发器的 MED 系统中第一效应的横截面图。通过传热管内部循环的外部蒸汽冷凝、释放潜热并蒸发喷射到管外部的进料。新产生的蒸汽被送到下一个效用重复这个过程。(B) 带有降板蒸发器的单效 MVC 系统示意图。过热的压缩蒸汽在薄板的一侧冷凝，而进料（可能与盐水混合）从另一侧以降膜形式蒸发。可以添加金属丝网或网格以稳定降膜并增加传热速率。(C) MSF 系统第一级的横截面示意图。预热的进料进入闪蒸室，蒸发，然后在水平冷凝器管的外部冷凝。馏出物被收集在一个托盘中，而盐水进入下一个阶段并再次闪蒸。
图3. 传热表面上具有代表性的热结垢阻力随时间变化的定性图 (A) 在初始阶段，由于两相系统中气泡成核位点的可用性更高，来自薄结垢层的传热增强可能会导致负结垢阻力或在单相系统中增强混合。(B) 长时间后，由于结垢层的高传导电阻，持续的结垢会导致增加的正结垢阻力。(C) 定期定期清洗可降低结垢阻力。
图4. 改性表面上的滴状和跳跃滴状冷凝概述 (A) 在金属基材上应用滴状促进层后，疏水表面上的滴状冷凝。(B) 从液滴聚结释放多余能量后，从超疏水、功能化纳米结构表面离开的跳跃液滴。
图5. 在金属表面上形成逐滴促进涂层的常用方法概述 示意图显示了 (A) 离子注入系统、(B) 聚合物喷涂和 (C) 自组装单分子层的基本组成部分。
图6. 壁面热阻对整体传热系数的影响 (A) 控制板的整体传热的关键传热参数的简化概述，厚度为 twall、导热系数 kwall 和两侧的对流传热系数 h。(B) 显示整体传热系数 U 降低的曲线图，板的整体传热系数 U 为两侧有对流冷却的板，局部传热系数 h 作为壁热阻 Rwall 的函数。U 由在零壁热阻极限下的总传热系数 UN 无量纲化：(C) 常用研究的 HDPE、PTFE 和 PEEK 热交换器聚合物的原材料成本和所需传热面积的比较，与厚度从 25 到 500 毫米不等。结果以成本和面积比标准化为 500 毫米厚钛板的绝对成本和面积比率绘制，当量 h = 10,000 Wm-2K-1。
文章链接
https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.05.004
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