工程科学与技术，国际期刊21（2018）99完整文章盆式太阳能蒸馏器阿普尔巴·拉耶克机械工程系，NIT Durgapur，713209，印度阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年6月4日收到2017年10月15日修订2018年2月4日接受在线提供2018年关 键 词 ：太 阳 能 蒸馏吸收器能源效率A B S T R A C T太阳能蒸馏系统的简单性使其非常有吸引力，但产量以及总效率非常低。不同类型的包装材料，例如：使用黑色墨水、黑色染料在微咸水中的溶液由于这种材料吸收更多的太阳辐射来提高微咸水的温度，从而提高了产量和整体能源效率。为了提高热性能，并有洞察力的热损失，火用分析的所有组件进行。在微咸水中，采用这些吸收体的最大总能量效率分别为41.3%、43.42%和45.79%，（火用）效率分别为5.91%、6.34%和7.10%。盆内衬的火用破坏程度最高，其次是微咸水和玻璃。©2018 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍可持续发展最重要的基本必需品是饮用水，它的需求仅次于能源和粮食。虽然海洋覆盖了地球表面的三分之二，但只有3%的水储量是新鲜的，可以用作饮用水。 在这些淡水储备中，湖泊，河流和溪流仅包含约1%，22%为地下水，其余77%冻结在极地或冰川中[1]。太阳能海水淡化是一种很有前途的替代方法，可以去除水储备中的盐和污染物，以满足人类对可再生能源的饮用水需求。另一个严重的问题是玻璃、化肥、半导体和金属加工等行业对水的氟化物污染。已经开发了许多有效的方法，例如沉淀、吸附和反渗透用于水的净化，但是也是昂贵的并且负担不起对普通人来说印度大部分地区，微咸水和全年充足的太阳辐射是推广太阳能海水淡化技术以获得饮用水的两个有利条件。盆式太阳能仍然是最简单的，包含半咸水在一个浅盆，覆盖着透明玻璃。玻璃盖允许太阳辐射（短波）通过，大部分被黑色的盆底座吸收。水开始加热并蒸发，蒸汽在玻璃的内侧凝结。冷凝水从倾斜的玻璃杯中滴下，并通过内部收集，在盆中留下盐和杂质[2，3]。简单而有效地使盆-电子邮件地址：apurba. me.nitdgp.ac.in由Karabuk大学负责进行同行审查太阳能仍然是农村社区提供饮用水的替代品，特别是在印度等发展中国家。据报道，它的效率很低，在30-45%的数量级[4]，同时投资回收期也很短，约5年。提高太阳能蒸馏器产率的有效方法是对其进行优化。可以修改太阳能蒸馏器的不同设计参数以优化其产量。研究了风速、地理位置和气温以及一些设计和操作参数对性能的影响[5，6，7]，Singh等人[8]报道，产量可以在玻璃窗的倾斜度等于该位置的纬度时达到其最大值。Khalifa等人[9]验证了半咸水深度对优化蒸馏水生产的影响。Rajvansi[10]提出使用水溶性染料来提高产率，并报道水表面和上光温度的差异是蒸发过程及其产率的主要原因。Zaki等人[11]将太阳能蒸馏器与自然循环太阳能收集器系统相结合，以优化其生产力。Mousa等人[12]使用再生式太阳能蒸馏器的概念来优化性能，该概念利用预热与太阳能收集器集成的给水。几位研究人员在水溶液中使用黑色染料来增强辐射的吸收率并提高生产率[13，14，15]。本文研究了不同填料的蒸馏器的例如黑色油墨和黑色染料溶液在微咸水和黑色调色剂（复印机）在微咸水表面。与其他热系统一样，盆式太阳能的设计仍然需要使用性能概念来表征。术语https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.02.0012215-0986/©2018 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch命名法r;w-ge;w-gr;b-aSAs100A. Layek/Engineering Science and Technology，an International Journal 21（2018）99的g玻璃面积（m2）C对流As流域面积（m2）e蒸发的ss静侧面积（m2）G玻璃H传热系数（W/m2°C）R辐射IT太阳辐射（W/m2）S侧损失金因斯隔热层的导热系数（W/m k）天空天空林绝缘厚度，（m）;W水L蒸发潜热（kJ/kg）GI玻璃内表面Q热量（W/m2）去玻璃外表面不温度（°C）B-a盆衬至amentV空气流速（m/s）B-W水槽衬垫到水一吸收率G-a玻璃窗S下标透射率W-G水对玻璃一B环境的衬盆能源为了实现资源有效利用的目标，需要根据热力学第二定律（最有效的热力学工具）进行评估，即火用分析[17，18]。一个高效的太阳能设计仍然需要最小的有效能损失。火用分析的主要好处是了解火用损失和表征熵产生的原因以及量化相应的速率[16]。Kwatra[19]对太阳能蒸馏器的第二定律分析作了概述.Emrah Deniz[20]在实际条件下设计并测试了平板太阳能集热器辅助的太阳能蒸馏器，并分析了Sharshir等人[21]对太阳能蒸馏器进行了能量和火用分析，以评估 不 同 设 计 参 数 对 性 能 的 影 响 。 Sow 等 人 已 经 进 行 了 能 量 和exergetic分析[22]并报道三效系统仍有19Kumar等人[23]进行了火用分析，以及不同风速、水槽衬垫吸收率和玻璃倾斜角度下的能量性能分析了主要部件的火用损失。Torchia-Nunez等人[24]研究了玻璃、盆内衬和盐水溶液。Sivakumar等人[25]对太阳能蒸馏器进行了火用分析由于盆衬与水之间的温差较小，大部分（火用）损发生在盆太阳能蒸馏器及其所有组件的（火用）分析已被研究[26]，并与石蜡中的纳米复合材料（Al2 O3，50 nm）相变材料集成。太阳能蒸馏器的能量效率很低。因此为了为了具有有效的设计，必须设计具有更高能量效率的太阳能蒸馏器，以使热损失最小化。太阳能蒸馏器及其所有组件的火用分析是设计它以最小化不可逆性以使其在技术上和经济上可行的最有效工具[16]在本工作中，还试图研究了黑色油墨，黑色染料和黑色调色剂在水面上的产量的影响，然后提出。本文还提出了一个综合的热力学模型，用于能量和火用描述了来自所有三个组件的熵破坏还试图探讨其原因，使用22 SWG G.I. 1.3 m x 0.8 m的板，放置在木箱内以提供强度和支撑。在木箱和GI板盆之间提供5 cm厚的隔热材料（玻璃棉），以减少向周围环境的热损失为了增加盆表面的吸收率，它被涂成黑色（着色硅树脂）。3 mm厚的玻璃覆盖了与水平线倾斜23°的单斜面使用日射强度计测量蒸馏器上的通过连接到数据记录器的K型热电偶记录以下位置的温度：a）盆内衬，b）玻璃的内外表面，c）盆中的水和d）周围空气。对于测量的温度范围，这些热电偶的精度为±0.1°C通过量筒测量馏出物输出，每隔半小时测量实验研究了不同的着色材料：黑色油墨（172ppm）、黑色染料（172ppm的萘胺）和黑色墨粉（10g）在苦咸水水面上对产率本研究中使用的辐射和热物理性质见表1。测量值的不确定性[27]如表2所示，能量和火用效率值的不确定性估计为平滑。xls ± 3.75，± 3.97%。2.1. 第一定律分析主要三个部分的能量分析，如玻璃、盆内衬和微咸水，可以按照Duffie等人的方法进行[3]，如图所示。1.一、作出以下假设a) 玻璃的倾斜度很小，b) 玻璃和绝缘的电容c) 消毒盆外壳无蒸汽泄漏。玻璃窗的能量平衡agITAgl/qr;w-gqc;w-gqe;w-g]l/qr;g-aqc;g-a]1水团的能量平衡;的位置和各部件的（火用）破坏率来设计和效率依然。sgawITAsq公司简介dTw þ½qþqq]2. 方法盆底板（盆内衬）能量平衡太阳能蒸馏系统原理图实验目的是，如图1所示。盆地sgswabITAs¼q拉克你好Ass3c;b-wW DTc;w-gc;b-wc;b-a11Ast;g-a;-;-;-Σþ þΣA. Layek/Engineering Science and Technology，an International Journal 21（2018）99-106101Fig. 1. 一台盆式太阳能蒸馏器，并附有各部件的能量平衡图。表1辐射和热物理性质。衬垫的吸收率，（ab）0.90玻璃的吸收率，（ag）0.05玻璃罩的透光率，（sg）0.90玻璃的膨胀率，（例如）0.88水的蒸发量，（ew）0.96吸水率，（aw）0.30黑色墨水的吸水率172 ppm，（aw）0.43水与黑色染料的吸收率172 ppm，（aw）0.572.1.1.1. 顶部损失系数。从玻璃表面到建筑物的对流和辐射传热可以用[3]表示;qr;g-a 1/4Aghr;g-a1/2Tgo-Ta]4qc;g-a¼Aghc;g-a½Tgo-Ta]5例如，1/2T4-T4]表面上具有黑色调色剂（10克）的水的吸收率，（aw）0.70hr ga¼高天ð6Þ水的透过率，（sw）0.67水与黑色油墨的渗透率172 ppm，（sw）0.54水与黑色染料的渗透率172 ppm，（sw）0.41在表面上具有黑色调色剂（10克）的水的透水性，（sw）0.28Tgo-Ta其中，天空温度; Tsky¼ Ta- 6[3]。风的自然对流传热系数hc，g-a，作为空气的函数隔热材料的导热系数，（Kins），W/m K20.015速度V可以表示为[3]，从内衬到水的对流系数，（hc，b-w）W/mK 135底部损失系数（Ub）W/m2K 14hc;g-a¼ 2：83×V 7因此，从玻璃窗到建筑物的总热损失变为：表2q<$Aghrga hcga½Tg— Ta]SL.没有测量的参数仪器使用的不确定度（95%置信水平）1产量量筒± 1 ml2温度热电偶± 0.1°C3太阳辐射日射强度计± 1%，工作温度范围4风速叶片风速计± 0.01 m/s2.1.1.2. 底部和侧面损失系数。 热损失可能发生从盆地底部和侧面通过对流和辐射方式进入大气因此，底损系数（Ub）可表示为[3];Ub19太阳能蒸馏器的换热过程可分为外部换热和内部换热两大类。2.1.1. 外部传热这些过程包括从任何外表面到周围环境的热交换，主要是从玻璃，侧面和背面绝缘，它们彼此独立它们与两个系数有关，即：¼1ðhc;b-wkins=linshc;b-ahr;b-a可以从等式2中获得Δ hc;b-aΔhr;b-aΔ h的值（九）、类似地，侧损耗系数（U侧）变为：U侧¼ UbAss10 mm对于（Ass），A s）。各种仪器和测量的不确定度区间[27]。OT-.不;-不WGi我不埃夫GI不314.Σ102A. Layek/Engineering Science and Technology，an International Journal 21（2018）992.1.2. 内部传热内部热传递是指以对流、辐射和蒸发方式从水表面到玻璃下面的热交换。2.1.2.1. 辐射传热系数由于玻璃窗的倾角较小，因此玻璃窗可被视为平行于水面，形状系数可被视为等于1[3]。水面与玻璃之间的辐射交换可表示为：qr;w-g¼Ashr;w-gTw-Tgi 11其中，hr，w-g表示为;[3]。hrwg¼0：9r½T2T2TwTg]122.2. 第二定律分析热通量由盆内衬接收来自太阳辐射的热通量，并最终传递到微咸水以产生产量。由于衰减的原因，落到玻璃上的因此，在太阳辐射通过地球表面落在玻璃上的过程中，有一个熵产生为了最大化太阳辐射落在玻璃上，可以优化玻璃的倾斜度建立了太阳-太阳静止热交换过程不可逆性最小化的热力学框架为了深入了解太阳能蒸馏过程的能量传递方面和利用情况，需要在进行能量分析的同时进行（火用）分析（火用）分析使用能量和质量守恒以及第二个热力学定律为了更有效地设计-其中r为StefanBoltzmann系数，为5.6697× 10- 8 W/m2K4.2.1.2.2. 对流传热系数它可以通过以下关系式与对流换热系数qc;w-g¼Ashc;w-gTw-Tgi 13其中，hc，w-g可以使用关系式[3]获得故障系统需要进行分析通过第二定律分析，了解了传热过程，分析了火用损失的原因第二定律分析不仅用于量化能量的数量，而且用于量化能量传递分量的相应质量这里考虑的第二定律分析的数学模型是基于Bejan[16]建议的方法和Torchia-Nunez等人[22]提出的方法制定的。（gex）或第二Bejan[16]提出的任何热系统的效率定律，CUP-PΣð1Þc;w-g¼：W- 2016年8月-Pwwð火用输出其中P，P是在T和gex 1/4（火用）输入W吉西Tgi，并由关系定义为;落在盆区的日射量在火用中达到[28]。联系我们exp.25：317-5144不ð15Þ可以通过将太阳辐射IT乘以Petela来计算函数，w.“一声。4 .第四季Ta#2.1.2.3. 蒸发损失系数蒸发是期望的，因为它最终作为冷凝物，但它也可以被认为是从冷凝物中的损失。w¼1吨3吨— 3TSð22Þ水的作用[3]。qe;w-g¼Ashe;w-gTw-Tgi 16其中，EXsun 1/4AsITw2.3 VPetela函数w表示产生有用功的太阳辐射的相对潜力，作为太阳温度（Ts）和环境参考温度的函数，Ta. 在极限T a/T s？0时，辐射通量变为100%可用he;w-g¼16： 273x10-3 hc;w-g P w-Pg我因此，它可以被称为“太阳能”火用效率Bejan[16]用能量守恒定律解释了热（EXq）相互作用的（火用）势，等式（14）和（17）在初始水和上光时进行评价内表面温度 每小时不守恒（火用），如[16];（Mew）可以计算为：EXq 1/4q.1-Ta24Mew¼qe;w-g=L×3600¼½Ashe;w-gTw-Tgi=L×36000]18能量效率（go）是太阳能转换的潜力其中T是系统温度和1因子。-Tα=卡诺效率太阳能蒸馏器的盆区上可用的能量转化为有用的形式，蒸发热分量，表示为[2];go¼qe;w-g=As IT19但只有一小部分入射辐射用于蒸发水，以产生产量，因此，太阳能蒸馏器的瞬时效率（gi）可表示为[2];Qe由于蒸馏器内不同传热过程的不可逆性，一部分有效太阳辐射被破坏。蒸馏器三个主要子系统的有效能流程图如图2所示。忽略太阳能蒸馏器各部件的火用平衡，其火用平衡可表示为：2.2.1. 玻璃窗的火用平衡gi¼;w-gsgswabð20Þ考虑玻璃的热容量和吸收的太阳辐射，给出玻璃的火用平衡为：Eq的分母。（20）表示太阳能被盆内衬和盆中的微咸水有效吸收，以在各种热传递模式中得到利用。由于它考虑了所有的损失，即来自玻璃、微咸水、盆衬的反射;它可以被视为太阳能蒸馏器利用太阳辐射的潜力agAgITwEXt;w-g-EXt;g-a ¼EXde s;g2 5EXdes;g是玻璃的有效能损耗EXt;g-a是从玻璃窗到建筑物的有效能损失，与对流和辐射方面的热损失相关，并且可以表示为，ΣH0 884吨表示为;A. Layek/Engineering Science and Technology，an International Journal 21（2018）99-106103图二. 太阳能蒸馏器三个子系统（火用）流程图。EXt;g-a ¼EX c;g-aEXr;g-a263. 结果和讨论本文研究了在盆式太阳能蒸馏器的水面上，用黑色墨水、黑色染料的水溶液和黑色墨粉（复印机）等不同的染色材料对产率的影响图3还显示了典型日的太阳辐射随气温和大气速度的变化。在微咸水中加入这些絮凝材料所获得的累积集水率见图12。 四、与没有任何吸收剂的水相比，在水面上具有黑色调色剂获得最高的产率这表明，在水溶液中的黑色油墨可以比没有任何吸收剂的单独的水吸收更多的辐射黑色染料溶液在水中比黑色油墨溶液能更好地吸收太阳辐射，从而提高了蒸馏率。水面上的黑色墨粉吸收太阳辐射，提高水面最高温度，增加蒸发速率，产率最高。从累积集水量计算，图1绘出了在水深为2cm的微咸水中，从微咸水到具有不同填充材料的玻璃窗的不同传热系数（例如对流、辐射和蒸发）的变化。 五、可以看出，对于所使用的所有生物材料，生产速率的最大值发生在下午1点左右蒸发传热系数全天最高，而辐射和对流分量几乎保持不变，无论吸收剂溶液中的微咸水。蒸发热通量EXt;w-g是从微咸水表面转移到是蒸馏水产量背后的驱动力，在黑色染料和黑色调色剂的情况下的产量 图 6描绘了每小时通过蒸发、蒸发和辐射的组合方式形成玻璃窗的内表面，并且可以写作，EXt;w-g ¼EX e;w-gEX c;w-gEXr;w-g27如在等式（22）和（24）中表示的关系中使用的有效能分量在阑尾2.2.2. 盆衬的火用平衡一部分来自太阳辐射的可用火用被水池衬里吸收，其中一部分用于提高微咸水温度（E Xc;b-w），一部分通过隔热离开系统（E Xins）。其余的则从盆地中被破坏（EXdes;b）。EXdes;b 1/4秒gswabAsEXsun-EXc;b-wEXins28秒2.2.3. 微咸水火用平衡微咸水的火用增益是从盆衬传递的火用与微咸水吸收该有效能的一部分通过对流、辐射热传递和蒸发蒸汽的冷凝从水面传递到玻璃窗EXdes;w 1/4秒gawAsEXsunEX c;b-w-EXt;w-g29秒与太阳能蒸馏器产率相关的火用通过蒸发从微咸水表面转移到玻璃上即，E;w-g.因此，系统的有效能由下式定义：瞬时效率的变化，在微咸水中具有不同的吸附材料。整体能源效率随着一天中小时数的增加而增加，并在图三.太阳辐射、气温和风速的逐时变化。EAshe;E--1-Ta小时及G¼Xe;w-g ¼w-giTwð30ÞexX太阳EXsun见图4。不同吸收塔的小时累积产量。-104A. Layek/Engineering Science and Technology，an International Journal 21（2018）99-106图五.不同传热材料的传热系数的变化。图7.第一次会议。从微咸水到玻璃的蒸发火用的逐时变化小时及见图6。具有各种填充材料的瞬时效率的小时变化。见图8。不同填充材料的火用效率的逐时变化。大约下午1点，然后随着一天中的时间的进一步增加而减少。对于含有黑色墨水溶液、黑色染料溶液或水面黑色的微咸水，获得的最大效率分别为41.3%、43.42%和45.79%。这可以用太阳辐射的变化来解释，如图3所示。日射量随时间而增加，在中午达到最大值。微咸水的温度也随时间而升高，中午达到最高温度.微咸水表面和玻璃内表面之间的温差（即。e.TwTgi）是影响蒸发过程的最重要驱动力[10]，其随一天中的时间增加并在中午附近达到最大值，蒸发传热系数也是如此。这是由于在中午，热损失得到最小化，提高了热性能的比例，增加了产量和效率的蒸馏器。还计算了从微咸水到玻璃的蒸发火用，并绘制在图7中，表明所有玻璃材料的蒸发火用在1 pm附近达到最大值。 发现这些值分别为约38.1W、46.46W、49.66 W和57.32 W。它确定了在水面上提供黑色调色剂增加了水面tem。图9.第九条。能量和热力学效率具有不同的封装材料。观察到，与没有任何吸收剂的微咸水相比，在微咸水中分别具有黑色墨水、黑色染料和黑色调色剂的每日瞬时效率和有效能增加。黑墨水、微咸水溶液黑色染料和水面黑色微咸水的日能效分别为32.27%、34.13%和35.99%温度和蒸发速率最大。在微咸水中，不同吸收体的放热效率的小时变化如图所示。8.第八条。有效能随时间的推移而增加，并在下午1点左右达到最大值，对于所有在微咸水中的生物材料。在水面上具有黑色调色剂使有效能效率增加到约7.09%，相比之下，没有任何调色剂材料时的有效能效率为4.97%。图9绘出了不同的吸收材料对相同日总太阳辐射的瞬时效率和（火用）效率的影响。也是日（火用）效率分别为4.13、4.38和4.78。由于能源质量的恶化，（火用）效率总是具有比能量效率低的值。由于火用分析可以深入了解传热过程，因此可以采取适当的措施减少火用损失。在盆的水面上使用黑色墨水、黑色染料溶液或黑色墨粉，吸收更多的太阳辐射，提高有效能。计算了微咸水蒸馏釜三个主要子系统的火用损失率TGO.ΣXr;g-aTbGr;g-aGo一3TGO3TGO我Twc;b-w;-TbA. Layek/Engineering Science and Technology，an International Journal 21（2018）99-106105附录与从玻璃窗到大气的对流热传递相关的（火用）传递表示为： 1-Ta，而与辐射热有关的火用传递转换为; E¼ AhT-T 11。TA44-4。TaW-g是的热以蒸发的形式从水转移到玻璃上，并且可以使用等式no（24）表示为：E见图10。水上黑火药火用损的小时变化公司简介.Tw-Tg。1-Ta面水面有黑色调色剂（图）。 10）。最大小时EXc;w-g是以对流热的形式从水传递到玻璃的火用，As hc;w-gTw-Tgi，并且可以借助于方程no（24）写为：来自盆内衬、微咸水和玻璃的（火用）破坏是EA hT不.1Ta570.4、136.0和23.4W/m2。 较低温度盆内衬和水之间的差异是造成较高Xc;w-g¼Sc;w-g-w-gi-Tw盆内衬的火用破坏。该温差的升高，增加了从盆衬到盐水的（火用）流（Exc，b-w），并减小了（火用）破坏。越高同样地，的火用内容的辐射传热As hr;w-gTw-Tgi表示为：“一声。4. casinoT编号一-玻璃内表面与水表面之间的温差面增加蒸发的火用，降低火用毁灭从微水的温差EXr;w-g ¼A s h r;w-gT w-T gi 1×3Tw一3Tw在玻璃窗的外表面与大气之间，更多，导致玻璃窗的有效能破坏更少EXc;b-w是与对流热相关的有效能分量转移，As hc;b-wTb-Tw从水池到水;EX¼A shcbwTb-Tw。1-Ta本研究对不同材质的盆式太阳能蒸馏器进行了性能测试，EXins为盆内衬向大气对流热损失对应的火用损失油墨、苦咸水上的黑色染料溶液和苦咸水表面上的黑色调色剂。基于能量效率和（火用）效率计算了蒸馏器的性能。基于此研究得出以下结论：EXins 1/4A shbtb-Ta。1-Tai. 实验发现，在水面上使用黑色墨水、黑色染料和黑色调色剂，产率分别提高了14.7%、20.4%和27%。ii. 整体能源效率随一天中的时间而增加，并在下午1点左右达到最佳水平。对于含有黑色墨水溶液、黑色染料溶液和黑色表面的微咸水，最大总能量效率分别为41.3%、43.42%和45.79%，最大（火用）效率分别为5.91%、6.34%和7.10%。iii. 据观察，黑色墨水或黑色染料溶液可以吸收更多的太阳辐射比没有吸收剂溶液的微咸水。水溶液上的黑色墨粉能吸收更多的太阳辐射，提高微咸水表面的最高温度，从而进一步增加水分蒸发。iv. 添加这些材料的系统的日能量效率分别为32.27%、34.13%和35.99%含这些填料的系统的日（火用）效率分别为4.13%、4.38%和4.78%。v. 由于太阳能转化为热，与瞬时效率相比，有效能效率值非常低。与微咸水和玻璃相比，盆内衬的火用损失率最大。引用[1] Sampath Kumar，P. 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