用于改善热流体系统的输出的谐振热振荡器

用于改善热流体系统的输出的谐振热振荡器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2020年2月12日在美国提交的美国临时申请号62/975,747的优先权。美国临时申请号62/975,747以及所有相关附件以其整体明确地并入。
3.关于联邦资助研究或开发的声明
4.本发明是在国家科学基金会(national science foundation)授予的资助号eec-1449500和空军科学研究办公室(air force office of scientific research)授予的资助号fa9550-15-1-0022的政府支持下完成的。政府对本发明享有一定权利。本发明还部分地受到carl和lillian illig奖学金(carl and lillian illig fellowship)授予的资助号h20398和德州仪器访问教授职位(texas instrument visiting professorship)授予的资助号h20803的资助。


背景技术：

5.随着对淡水可得性的需求不断增加，目前的水处理方法面临着由于高溶解固体浓度造成的从诸如海水、半咸水和加工水的高盐来源中的淡水回收率低的主要限制，这使得过滤技术无效且基于压力的方法不实际。净水危机的一种可能的解决方案是离网式太阳能热淡化技术，其是随着结合了重量轻且有成本效益的材料的模块化设计而发展的。这些品质使太阳能热淡化成为一种有前景的用于高盐度水纯化的方法，其可以应用于无法获得常规电力的区域。任何基于蒸发的淡化过程的主要限制在于由于其对耗能的相变的依赖造成的其固有的低热力学效率。
6.本发明的研发部分地受到robert a.welch基金会(rober ta.welch foundation)资助号c-1220和c-1222的资助。
7.发明概述
8.提供此概述以介绍以下在详述中进一步描述的构思的选择。此概述不打算确定所要求保护的主题的关键或必要特征，也不打算用作帮助限制所要求保护的主题的范围。
9.在一个方面，本文公开的实施方案涉及包括以下各项的系统：纳米光子学驱动的太阳能蒸馏系统，动态热回收(hx)系统，至少两条被至少一种光谱吸收材料分隔开的逆向流动的液体流，其中至少一条逆向流动的液体流包含进料流和馏出物流，并且其中光谱吸收材料是疏水性的、光吸收性的且光热的。
10.在另一个方面，本公开的实施方案涉及包括以下步骤的方法：在至少两条被光谱吸收材料分隔开的包含进料流和馏出物流的逆向流动的液体流匹配时，将纳米光子学驱动的太阳能蒸馏系统和动态热回收系统组合为耦合系统，通过纳米光子学驱动的太阳能蒸馏系统和所述动态热回收系统的所述耦合系统将热能再循环到所述进料流中，以及在没有光入射到纳米光子学驱动的太阳能蒸馏系统和所述动态热回收系统的所述耦合系统上时，通过耦合系统使得运行能够进行。
11.在又一个方面，本文公开的实施方案涉及包括以下步骤的方法：在具有至少两条被至少一种光谱吸收材料分隔开的逆向流动的液体流的热流体系统中提供谐振热振荡器，
其中光谱吸收材料是疏水性的、光吸收性的且光热的，以及调整逆向流动的液体流中的至少一条中的流率以使所述至少两条逆流液体流之间的传热最大化。
12.所要求保护的主题的其他方面和优点根据以下描述和所附权利要求将会是明显的。
附图说明
13.图1示出了一种ptfs光供能的化学反应器的示意图。
14.图2a示出了根据一个或多个实施方案的nesmd模块和耦合动态热回收系统hx模块的实例。
15.图2b示出了根据一个或多个实施方案的一种未折叠的系统的示意图。
16.图2c示出了根据一个或多个实施方案的不同馏出物流量的tdo中的通量的实例。
17.图2d示出了根据一个或多个实施方案的不同馏出物流量的tdo中的功率传递的实例。
18.图2e示出了一种没有hx模块的nesmd模块的示意图。
19.图2f示出了一种具有聚焦元件且没有hx模块的nesmd模块的示意图。
20.图2g示出了一种具有hx模块的nesmd模块的示意图。
21.图2h示出了包括根据一个或多个实施方案的系统在内的多个系统的馏出物通量率。
22.图2j示出了在根据一个或多个实施方案的系统中的海水处理后的离子浓度。
23.图2k示出了在根据一个或多个实施方案的系统中的压裂水处理后的离子浓度。
24.图3a示出了根据一个或多个实施方案的一种streed模块的实例。
25.图3b示出了根据一个或多个实施方案的一种streed模块的通量率和在48小时运行内的实际的依赖于时间的照度。
26.图3c示出了本公开的一个实施方案的作为光强度输入的函数的优化的进料流率的实例。
27.图3d示出了根据一个或多个实施方案的一种streed模块的实例。
28.图3e示出了根据一个或多个实施方案的串联和并联构造的streed模块的实例。
29.图3f示出了在油田运行中使用的根据一个或多个实施方案的一种streed系统；
30.图3g示出了固定streed性能层与通量和增益输出比(gor)的相关性的实例。
31.图4-6示出了根据一个或多个实施方案的与hx模块耦合的nesmd模块中的不同实验条件的示意图。
32.图7示出了根据一个或多个实施方案的一种tdo系统的二维示意图。
33.图8示出了根据一个或多个实施方案的系统的总热通量矢量场。
34.图9a示出了根据一个或多个实施方案的nesmd中沿着金属线内hx膜的长度的温差。
35.图9b示出了对于qd(1ml/min)＜＜qf(6.5ml/min)，在根据一个或多个实施方案的nesmd中的通过膜的经纯化的水通量。
36.图9c示出了对于qd(7.4cm)～qf(6.5ml/min)，在具有和没有hx模块的系统中的温差。
37.图9d示出了对于qd(7.4cm)～qf(6.5ml/min)，在具有和没有hx模块情况下的通过膜的通量。
38.图9e示出了对于qd(100ml/min)＞＞qf(6.5ml/min)，在具有和没有hx模块情况下的温差。
39.图9f示出了对于qd(100ml/min)＞＞qf(6.5ml/min)，在具有(实线)和没有(虚线)hx模块的情况下通过膜的通量。
40.图10a示出了tdo系统的示意图，其显示出在根据一个或多个实施方案的耦合系统的两部分中的不同热损失机制。
41.图10b示出了根据一个或多个实施方案在聚碳酸酯窗口层和水通道中的传导损失、对流损失和辐射损失以及最大输出。
42.图10c示出了对于相等的进料流率和馏出物流率，来自具有相同尺寸的hx模块的nesmd的馏出物通量。
43.图10d示出了根据一个或多个实施方案的不同模块尺寸的最佳匹配流率值和相应的通量率。
44.图10e示出了根据一个或多个实施方案的一种层叠tdo系统的示意图。
45.图10f示出了在具有动态控制和没有动态控制的情况下在9小时白天期间来自具有10个hx层的nesmd的通量产生的比较。
46.图11示出了对于增大具有相等长度的hx模块的nesmd尺寸，在变化的谐振的进料流量和馏出物流量的情况下tdo系统中的最大温度。
47.图12示出了根据一个或多个实施方案的与强度一起的静态和动态谐振流量。
48.图13a示出了对于不同入射强度i(0.1至1sun)，通量率与n(1至10)的相关性。
49.图13b示出了对于不同入射强度i(0.1至1sun)，通量率与n(1至10)的相关性。
50.图13c示出了在不同太阳能强度下且在变化的传热系数的情况下的层状tdo系统的通量率的相关性。
51.图14a示出了单层tdo系统的随着照度的通量率和效率变化。
52.图14b示出了五层tdo系统的随着照度的通量率和效率变化。
53.图14c示出了十层tdo系统的随着照度的通量率以及相应优化的进料流量和馏出物流量变化。
54.图15a示出了对于不同的强度和损失，系统中的优化进料流量和馏出物流量。
55.图15b示出了对于变化的强度和损失，图15a中的系统的相应温度。
56.图16a示出了具有长度和厚度且被导热体和热源is分隔开的两条逆流流qf和qd的两个相互作用的通道。
57.图16b示出了在固定qf和h
eff
＝200w/m2/k、l＝24in、c＝4.18kj/kg/k、ρ＝1g/cm3的情况下作为qd的函数的if→d和if→d的传热强化(相对于
is
归一化)。
58.图16c示出了对于不同的模块尺寸，换热通量提高与匹配流量的相关性。
59.图16d示出了对于qf＝20ml/min且qd＝2ml/min的计算温度地图。
60.图16e示出了对于qf＝20ml/min且qd＝200ml/min的计算温度地图。
61.图16f示出了对于qf＝qd＝20ml/min的计算温度地图。
62.图16g示出了在不同谐振条件下的tdo系统中的探针轨迹。
63.图17示出了作为没有拟合参数的洛伦兹函数的依赖于流量的传热
64.图18a示出了层叠系统的依赖于入射照射的在不进行热回收、热回收和没有热回收的热淡化的理论极限的情况下的通量率，以及通过采用在没有热回收的情况下的计算通量率与相应的理论极限之间的比率获得的提取太阳能利用效率。
65.图18b示出了通过采用在具有热回收和没有热回收的情况下的计算通量率之间的比率并且假设太阳能效率计算的gor。
66.图19示出了系统的作为10cm、20cm、50cm、100cm、200cm的模块长度和拟合参数γ的函数的从进料到馏出物的净传热的传热强化。
67.图20a和20b示出了分析求解的1m系统的作为系统中的损失(g
eff
值)以及相等的进料流量和馏出物流量的函数的从进料到馏出物的净传热的传热强化。
68.图21a示出了在阴天的数小时处理后使用具有能量储存能力的谐振热振荡器的太阳能淡化。
69.图21b示出了在晴天的数小时处理后使用具有能量储存的谐振热振荡器的太阳能淡化。
70.图22示出了hx材料的热导率降低的影响。
71.图23a示出了在进料和馏出物通道的厚度(w)从～0.5mm变为～50mm时系统中的淡水通量率和最大温度。
72.图23b示出了w～0.5mm情况下的温度和热通量矢量场。
73.图23c示出了w～1.6mm情况下的温度和热通量矢量场。
74.图23d示出了w～50mm情况下的温度和热通量矢量场。
75.图24示出了描述根据一个或多个实施方案的关于热流体系统中的谐振热振荡器的方法的流程图。
76.发明详述
77.现在将参照附图详细地描述具体实施方案。为了一致性，各附图中的相像要素用相像的附图标记表示。
78.在以下对实施方案的详述中，阐述了大量具体细节以提供更彻底的理解。然而，对于本领域普通技术人员来说明显的是可以在没有这些具体细节的情况下实施各实施方案。在其他情况下，并未详细描述众所周知的特征以避免不必要地使描述复杂化。
79.在以下描述中，在本公开的各实施方案中参照一个附图描述的任何部件可以与参照任何其他附图描述的一种或多种类似名称的部件等价。为了简洁，这些部件中的至少一部分是基于不同的图例隐含地显示的。另外，对这些部件的描述可以不针对每个附图进行重复。因此，每个附图中的各部件的每一个实施方案通过引用并入，并且假设任选地存在于具有一种或多种类似名称的部件的每个其他附图中。另外，根据本公开的各实施方案，对图中的各部件的任何描述应被解释为任选的实施方案，其可以附加于、结合或代替关于任何其他附图中的相应类似名称的部件描述的实施方案进行实施。
80.在本技术中，序数(例如，第一、第二、第三等)可以用作要素(即申请中的任何名词)的形容词。除非明确公开，比如使用术语“在......之前”、“在......之后”、“单个”和其他这类术语，否则序数的使用并不暗示或造成要素的任何特定顺序，也不将任何要素限制为仅单个要素。而是，序数的使用用于在要素之间进行区分。举例来说，第一要素与第二要
素不同，并且第一要素可以涵盖超过一个要素，并且如果存在顺序的话在要素顺序中在第二要素之后(或之前)。
81.术语太阳能被理解为包括能够发射日光能量的任何来源，包括自然来源比如太阳，和人造光源，比如led、激光器和纳米尺寸的光发射器。
82.本公开的实施方案涉及使用振荡热元件的热流体系统。例如，本公开的实施方案可以包括与热谐振器耦合的热流体系统，其中可以通过传热效果的组合将热能限制并多次再循环。热流体系统可以包括基于相变分离方法的热流体分离系统。
83.在一些实施方案中，热流体系统可以包括太阳能驱动的光热蒸馏系统，其中可以由日光能量提供所需的汽化热中的至少一部分。本公开的太阳能驱动的光热蒸馏系统可以包括谐振换热器系统以在不存在日光能量的情况下实现流体的太阳能蒸馏。
84.在一些实施方案中，热流体系统可以包括具有纳米颗粒太阳能光谱吸收材料的淡化系统和谐振换热系统。谐振换热系统可以使用热能储存机制(也称为谐振能量交换(rex))以支持热能的连续再循环。在一些实施方案中，热能的连续再循环可以储存所需的热能以在不存在太阳能来源的情况下运行。
85.本公开的实施方案可以包括循环传热机制，其中在可变尺寸的光吸收系统中将热能捕获、储存并且在至少两条逆流的流体流之间传递。例如，本公开的实施方案可以在热流体系统中将在内部被加热的逆流的流体流和导热体组合，其中热流体系统表现得像热振荡器。本公开的实施方案中的振荡热能可以支持连续热过程，比如相分离或依赖于温度的化学反应。另外，在谐振条件下运行这些光吸收振荡系统可以提高能量效率，特别是在储存能量的用途中。因此，本公开的实施方案可以被表征为热振荡器，因为实施方案可以使用振荡器的性质(比如谐振)来控制温度、提高储存能量、并耦合在系统网络内。根据本公开，在相互作用的流体流率相等时可以发生谐振。本公开的实施方案中的谐振可以优化交换的热量、峰值温度和储存的热能。
86.热振荡器中的谐振可以使内部能量比如机械能、电能、磁能和电磁能最大化，并且使损失最小化。本公开的实施方案的谐振热元件可以在谐振时表现出大的热惯性。这意味着系统可以对外部刺激表现出最小的损失和最大的响应时间。例如，如果关闭外部热源，比如太阳能热源，则系统可以由于使内部热通量振荡而保持内部能量，这防止从系统到环境的热能损失。此外，因为可以将不同的振荡器耦合到一起，所以本公开的实施方案可以包括其中在网络中连接热元件和其中可以通过调谐输入流速来控制温度的空间分布的另外的应用。这种可能性可以在从大尺寸太阳能驱动系统到其中嵌入微通道中的激光照射的纳米粒子可以用作小尺寸加热器的微流体装置的范围内得到应用。
87.根据本公开的实施方案，热振荡系统可以用于可以表现为热谐振器的光-热-流体系统(ptfs)，其中可以将热能限制并通过传热机制的组合多次再循环。ptfs可以包括至少两条被在流体通道之间的至少一个太阳能吸收导热层分隔开的逆流配置的流动流体。在光照时，电磁辐射可以在导热层内耗散为热能。热量可以通过逆流的流在反平行方向上传递，由此跨所述至少两条流体上产生相反的温度梯度。温差以循环、振荡的方式在通道之间传热。系统中的热能的振荡可以使通过流动出口的热能损失最小化。此振荡可以使得能够在至少两条流体内积聚热能，并且该振荡可以通过调谐相对流率得到控制。在将流率设定为相等时可以实现谐振条件。在本公开的一些实施方案中，可以通过调谐单个流率比如进料
流率来实现谐振条件，其中可以以逆流配置(例如通过使流路折叠或循环回去)提供流体流动。
88.在一些实施方案中，谐振传热可以在人造光照和自然光照两者下通过升高系统中的温度来提高在适当设计的ptfs中的反应速率。本公开的实施方案还可以使用谐振的热电池，其中在ptfs中储存热能，并且可以根据请求通过将系统流率从谐振条件去谐快速释放热量。本公开的实施方案还可以包括两个具有不同谐振条件的ptfs，其耦合以交换储存的热能。在图1中，示出了ptfs光供能化学反应器100的示意图，其中液相反应物102(箭头)在反应器中在相反的方向上流动。示出了人造光104和自然光106来源，其与纳米结构表面108相互作用，纳米结构表面具有适合于保留热量并催化目标化学反应的太阳能吸收体/选择性发射体110(放大显示)和反应器/光催化剂112(放大显示)。示出了通过选择性渗透膜114收集的产物。
89.在本公开的一些实施方案中，先前描述的谐振传热可以与太阳能淡化耦合以提供太阳能的在不存在太阳能来源的情况下的储存。例如，对于通过太阳供能的系统来说，根据本公开的实施方案的淡化操作可以彻夜提供部分淡水产生。
90.例如，来自使用在热振荡器中的谐振(rex)来强化淡化系统的实施方案的实验数据证明，与非谐振系统相比，振荡热元件将太阳能热淡化效率提高了超过十倍。在这样的实施方案中，耦合的膜蒸馏系统和热回收系统可以表现为谐振的热淡化振荡器(tdo)，其中馏出物输出可以处于谐振条件下。换言之，tdo可以将rex用于淡化应用。rex系统可以作为热电池来为tdo提供连续的热能。对通过tdo系统的进料流量和馏出物流量作为光照强度的函数进行调谐对于实现优化的振荡器可以是有用的，其还可以依赖于模块尺寸和热损失。在一种示例性的高度紧凑的动态tdo系统中，可以观察到与非谐振系统相比在谐振时的馏出物通量的500％提高，实证了在475w/m2照射下的1.1kg/m2h的淡水产生和收集。因此，一个或多个实施方案可以使用依赖于强度的动态输入流量控制，以在整天的运行中始终保持系统优化。本公开的一个或多个实施方案还可以利用更普通的使用简单模型的谐振现象，该简单模型用于从理论上分析谐振能量传递背后的关键原理。在一些实施方案中，谐振系统可以通过调整进料流量(例如，通过使用一个或多个流量控制装置比如阀门或扼流圈控制流入系统中的进料的流率)使在变化的光强度下的馏出物输出最大化。
91.本公开的实施方案可以包括通道以将流体流引导通过本文所公开的热流体系统。通道可以被理解为包括其中流体流可以是多用途的任何结构，比如化学反应室(其中输入流体可以作为反应物，并且可以由于温度升高而转化为产物)、热储存单元(其中可以通过输入流量来控制热量的积聚和释放)、水纯化系统、或流体分离系统(其中各流之间的温度梯度可以促进在通道之间交换蒸发的潜热)。
92.本公开的实施方案可以包括气态或液态输入和输出流体。尽管本文所公开的热流体系统的一些实例描述了水溶液输入(例如，半咸水或盐水)用于进行淡化，但是可以利用本文所公开的相同换热构思，将其他流体与所公开的系统一起用于不同的用途。例如，可以使各种流体类型流过本文所公开的热流体系统以在循环热条件下实现一个或多个化学反应。在这样的实施方案中，例如，本文所公开的换热构思可以用于加速某些化学反应。在一些实施方案中，可以使各种流体类型流过本文所公开的热流体系统以提供在流体流之间的热振荡，由此使得系统能够作为热电池用于各种应用。
93.nesmd系统
94.根据本公开的实施方案，ptfs可以包括纳米光子学驱动的太阳能膜蒸馏(nesmd)系统。本公开的一个或多个实施方案关注nesmd系统和动态热回收(hx)系统之间的耦合。与常规的膜蒸馏系统相比，nesmd系统可以具有这样的膜：所述膜包括具有至少一个反应性层或涂层的任何多孔表面，并且也可以被称为多孔表面层。在一些实施方案中，可以将nesmd过程和hx过程组合以从馏出物回收大量冷凝热，将其再利用于对进料或输入/入口流进行预热。与hx耦合且在谐振下运行的nesmd系统可以是rex的一个实例，其中rex表示使用谐振传热来对一个应用进行强化。
95.图2a示出了在系统200中耦合的nesmd模块和动态热回收系统hx模块的一个实例。图2a示出了来自管线203的流体进料可以横移或流动通过的通道204(“进料入”)。通道204经由管线206与流体进料可以通过其经由管线210离开系统的通道208(“进料出”)连接或耦接。图2a中还示出了来自管线211的馏出物可以横移或流动通过的通道212(“馏出物入”)。通道212经由管线214与馏出物可以通过其经由管线218离开系统的通道216(“馏出物出”)连接或耦接。图2a还示出了太阳辐照220(曲线箭头)，其中通道208被配置成接收太阳辐照220。图2a中还示出了与通道208和通道212连接或耦接的nesmd模块222。示出了在通道212和通道216之间的空气间隙224。在图2a中，还示出了与通道204和通道216耦接的换热器系统，即hx模块226。
96.在一个或多个实施方案中，在其最简单的形式中，nesmd系统可以包括两条被疏水性的、光吸收性的膜分隔开的逆流的流，即盐水进料和经纯化的馏出物。例如，图2a示出了具有层叠在hx模块226上的nesmd模块222的折叠的系统的一个实例。nesmd模块和hx模块可以以大尺寸(例如，覆盖许多米的面积)或小尺寸(例如，覆盖几平方毫米或几平方厘米或数百平方厘米的面积)形成。特别地，进入的盐水进料(例如，图2a中的“进料入”通道204)可以经由hx(例如，图2a中的hx模块226)与离开的馏出物(例如，图2a中的“馏出物出”通道216)热接触。该进料通过nesmd模块(例如，图2a中的nesmd模块222)中存在的光热膜进一步被加热。图2b示出了一种具有10.2cm
×
20.3cm nesmd模块230和10.2cm
×
40.6cm线内hx模块240的未折叠的系统的示意图。图2c和2d示出了根据一个或多个实施方案的对于不同馏出物流量来说tdo中的通量和功率传递的实例。
97.在一些实施方案中，可以在进料侧通过由嵌入形成膜的多孔表面中的光吸收纳米粒子的光热加热将阳光转化为热量。在膜上引起的温度梯度导致在进料侧的水蒸发和在馏出物侧的冷凝。在进料/膜界面处由于入射阳光造成的连续的、局域化的加热使nesmd尺寸是可扩缩的，并且避免了温度分化，克服了常规膜蒸馏的两个主要缺点。本公开的实施方案中包括nesmd提高了热效率，部分是由于在光热多孔表面层处水的微薄层的温度升高，其中通过由吸收光产生的热量提高了水温。
98.在本公开的实施方案中，纳米光子驱动的膜可以是疏水性的，并且允许水蒸气流过，而不允许液体或颗粒流过。nesmd膜可以包括疏水性多孔表面层和覆盖多孔表面层的反应性层或涂层。例如，nesmd膜可以包括疏水性多孔表面层和嵌有高度光吸收性炭黑(cb)纳米粒子的反应性层。多孔表面层可以比反应性层厚。例如，疏水性多孔表面层可以是约100um厚，而反应性层可以是约2-10um厚。在本公开的一些实施方案中，多孔表面层可以是蒸气可渗透而液态水不可渗透的，并且可以是接近光的层。另外，在一些实施方案中，多孔
表面层可以是具有设计的孔径(例如，能够允许蒸气渗透通过微米结构层并且防止液体流过的孔径)的微米结构层。如图2a和2b所示，一旦馏出物产生，就使馏出物与盐水进料热接触以进行换热。热接触可以通过结合到流动结构中的铜或铝片或者具有类似热导率的任何材料实现。实际上，将hx模块折叠在nesmd模块下方避免了增加系统占用空间，这将会使得能够在紧凑的区域内布置高密度的nesmd模块。
99.如图2e-2h所示，与hx模块耦合的nesmd模块可以提高系统的总体效率。图2e和2f示出了没有hx模块的nesmd模块的示意图。如图2f所示，nesmd模块的效率可以通过并入在光热膜255上产生热学热点的透镜阵列250来提高。对于相同的输入太阳能功率，水的饱和蒸气压与温度和光强度的非线性相关性可以将水生产率提高》50％。在本公开的实施方案中，线内hx模块比如图2g中的线内hx模块260可以通过使用经纯化的馏出物中的热量预热进入的盐水进料来进一步提高系统效率。nesmd系统与hx模块260的耦合是rex原理的示例，其可以将馏出物通量率提高500％，从而将经纯化的水生产能力提高到～20l/m2
·
天(参见图2h)。
100.本公开的实施方案的纳米粒子辅助蒸馏可以通过将离子浓度降低到低于世界卫生组织(world health organization)的标准界限由海水(参见图2j)和压裂水(图2k)产生淡水。
101.如以上所讨论的，nesmd系统可以包括两条以上独立控制的流，比如在流动管线中的进料和在流动管线中的馏出物(例如，图2a中的“进料入”通道204和“馏出物出”通道216)。在一些实施方案中，ptfs系统具有单个流动入口，例如在以下讨论的太阳能热谐振能量交换淡化(streed)系统中。
102.streed系统
103.根据本公开的实施方案，ptfs可以包括streed系统。streed系统可以将纳米颗粒太阳光谱吸收材料和动态热回收(hx)系统组合。在一些实施方案中，可以将纳米颗粒太阳光谱吸收材料和hx系统组合以从馏出物回收大量冷凝热，从而将该热量再用于预热进料。
104.图3a示出了一种用于使用streed系统淡化盐水流体的淡化系统300的图。图3a示出了入口管线302，其中盐水进料流可以流过盐水进料通道304到达管线306。示出了与入口管线302连接或耦连的依赖于光强度的流量控制器308。示出了盐水进料通道304，其与盐水进料隔绝体(隔热体，insulator)310和进料导体(导热体，conductor)312耦连。如图3a所示，管线306将盐水进料通道304连接至太阳能盐水流通道314。示出了太阳能隔绝体316，其位于太阳能盐水流通道314和太阳能来源318之间。示出了太阳能导体320，其位于太阳能盐水流通道314和第一蒸气吸收器322之间。
105.如图3a所示，示出了管线324，其与太阳能盐水流通道314和盐水流通道326连接。流体可以在太阳能盐水流通道314中通过太阳能来源318加热，然后流过管线324到达盐水流通道326。盐水流通道326被配置为具有内部多孔表面(未示出)，流体可以通过所述内部多孔表面从盐水流通道流326横移到耦连的纳米粒子网328。第一蒸气330可以横移通过纳米粒子网328并且通过第一间隙332到达第一蒸气吸收器322。示出了第一蒸气吸收器322，其与在第一蒸气吸收器322中收集的流体可以横移通过的管线334连接。
106.盐水进料隔绝体310可以连接在盐水流通道326的与纳米粒子网328的相反侧上。因此，在所示的实施方案中，盐水进料隔绝体310可以与盐水进料通道304和盐水流通道326
相邻并且在它们之间成层，以将经加热的盐水流通道326与盐水进料通道304(其可以具有相对较冷的流过其中的盐水进料)隔绝。
107.在图3a中，示出了管线336，其在盐水流通道326和第二盐水流通道338之间流体连接。第二盐水流通道338具有内部多孔表面(未示出)，第二蒸气340可以通过所述内部多孔表面横移通过第二间隙344到达第二蒸气吸收器342。示出了第二蒸气吸收器342，其与在第二蒸气吸收器342中收集的流体可以横移通过的管线346流体连接。示出了流体连接到第二盐水流通道338的管线348，通过它流体可以离开第二盐水流通道338。可以将第二隔绝体350附接到或布置在第二盐水流通道338的与第二间隙344的相反侧上。
108.在本公开的实施方案中，可以产生至少三条产品流，即(i)第一经纯化的水流，(ii)第二经纯化的水流，和(iii)卤水废物流。第一经纯化的水流可以容纳在从第一蒸气吸收器离开的管线比如图3a中的管线334中。第二经纯化的水流可以容纳在从第二蒸气吸收器离开的管线比如图3a中的管线346中。废卤水流可以横移通过第二盐水流通道到达从系统离开的管线，比如图3a中的管线348。
109.在本公开的一些实施方案中，可以使用超声换能器来缓解水锈。超声换能器可以与被配置成容纳盐水流的通道(例如，图3a中所示的通道304、314、326和338)的内表面耦连。超声换能器可以以最小的停机时间提供定期的水锈和污垢移除。
110.根据本公开的实施方案，包括streed模块的系统可以具有分别在约0.5m至2m范围内的长度和宽度，并且可以具有在约10cm至50cm范围内的从顶层(例如，图3a中所示的太阳能隔绝体316层)到底层(例如，图3a中所示的第二隔绝体350层)的厚度。
111.在本公开的实施方案中，盐水流通道比如图3a中的盐水流通道326可以包括至少一部分多孔壁，其中多孔壁可以被配置成防止流体流过孔隙，而允许来自流体的蒸气流过多孔壁并且流过间隙，比如图3a中的第一间隙332。在本公开的一些实施方案中，宽带吸收剂纳米粒子(“纳米粒子”)可以与盐水流通道的内表面耦连。可以将纳米粒子至少施加到通道的多孔壁部分。可以将纳米粒子通过喷涂法施加到盐水流通道的内表面，在那里纳米粒子可以与通道的多孔壁部分结合。在一些实施方案中，纳米粒子可以在盐水流通道的内表面接近将盐水流通道和蒸气吸收器分隔开的间隙的部分上形成涂层。在本公开的一些实施方案中，盐水流通道的多孔材料和纳米粒子的组合可以被表征为纳米粒子网膜。在本公开的一些实施方案中，通道的多孔壁部分可以被表征为网，其中网可以与纳米粒子结合并且在streed的运行期间支撑纳米粒子。在本公开的一些实施方案中，多孔壁部分或网可以是柔性的。网的孔隙可以大到足以允许水通过。
112.纳米粒子可以包括宽带的、光吸收性的炭黑粒子。纳米粒子可用于将太阳能局域化，使热损失最小化，并且最小化或消除对用于将水从盐水流蒸发和分离的外部能量的需求。在纳米粒子涂层或层内的热量局域化可以引起在通道的内表面和其中容纳的盐水的温度升高。与常规的基于膜的淡化系统相比，本公开的实施方案的纳米粒子可以缓解水锈和污垢。
113.在本公开的实施方案中，隔绝体层比如太阳能隔绝体316、盐水进料隔绝体310和第二隔绝体350可以由隔热材料(比如纤维玻璃、纤维素、气凝胶或诸如聚氨酯、聚苯乙烯的聚合物)或者隔热材料的组合组成。在一些实施方案中，可以使用红外反射镜或选择性发射体作为太阳能隔绝体以使辐射损失最小化。隔绝体层也可以由透明材料组成。
114.在本公开的实施方案中，导体和传导层比如太阳能导体320和进料导体312可以由导热材料(比如金属，比如铜或铝)制成。
115.在本公开的实施方案中，蒸气吸收器比如第一蒸气吸收器322和第二蒸气吸收器342可以由能够将水冷凝并且具有合适的热导率的任何材料(比如水凝胶)制成。
116.另外，根据本公开的实施方案，streed系统可以包括rex机制。rex可以为实施方案提供在没有额外的能量来源的情况下支持连续系统比如连续淡化系统所需的热能。rex可以储存能量，并且驱动长时间的运行。rex的储存能量可用于在太阳能输入不可得的时期比如夜间和厚云遮盖的白天期间继续运行。如图3b所示，rex的整合可以使得本公开的实施方案比如streed模块能够在太阳能不可得之后运行。
117.在本公开的实施方案中(例如，在nesmd系统和streed系统中)，可以通过随着太阳光强度输入调谐盐水进料流率来实施rex。这样，可以通过优化输入条件来确保连续运行。图3c示出了本公开的一个实施方案的随着光强度优化的进料流率的实例。更具体地，图3c示出了来自本公开的streed实施方案的数据，其中进料流率随着光强度增加而增大。streed模块在48小时运行内的通量率可以甚至在夜晚不存在太阳或太阳能的情况下继续。
118.在本公开的实施方案中，可以利用太阳能来加热盐水。太阳能可以提供所需的汽化热以在没有额外能量来源的情况下将水与盐水中溶解的固体分离。与常规的基于膜的淡化过程相比，这种类型的太阳能驱动的通过蒸馏的淡化可用于淡化具有高盐度的进料水。
119.在本公开的实施方案(包括使用streed系统或nesmd系统或两者的实施方案)中，可以通过来自经纯化的水流的热量来加热盐水进料。例如，可以通过来自经加热的经纯化的水流的再循环热量来加热盐水进料，在那里该热量可以横移通过位于盐水进料通道和容纳经加热的经纯化的水流的蒸气吸收器层之间的导体(例如，图3a中的太阳能盐水流通道314)。通过导体传导到盐水进料流的热量可以升高盐水进料流的温度以产生经加热的盐水流。
120.在具有streed系统的实施方案中，盐水进料流可以进入被配置成从太阳能隔绝体接收太阳能的通道(例如，图3a中的太阳能盐水流通道314)。该通道中的盐水进料流的温度可以经由透过太阳能隔绝体辐射的太阳能升高以产生经加热的盐水流。太阳能隔绝体可以是例如具有发射抑制涂层的透明隔绝窗以使向周围环境的热损失最小化。经加热的盐水流还可以与导体比如图3a中的太阳能导体320接触。导体可以是透明传导层，其被配置为具有沟槽以增大与经加热的盐水流接触的表面积，从而提高传热效率。导体还可以与蒸气吸收器层比如第一蒸气吸收器322耦接。蒸气吸收器可以使水蒸气冷凝。冷凝的水蒸气或经纯化的水流可以在与盐水流的流动相反的方向上流动。盐水流和冷凝的水蒸气的逆流流动可以提供汽化焓通过导体向进入的盐水流的高效传递，由此促进从在蒸气吸收器和离开管线(例如，图3a中的管线334)中的离开的冷凝水蒸气的高效热回收。
121.在本公开的实施方案中，经加热的盐水流可以进入与光热纳米粒子网耦接的通道。经加热的盐水流也可以在物流的至少一侧被隔绝体(例如，图3a中的盐水进料隔绝体310)隔绝。太阳能可以辐射透过太阳能隔绝体，并且到达光热纳米粒子网。太阳能可以照射光热纳米粒子网，并且受到照射的纳米粒子可以通过光局域化来加热相邻流动的流体。当纳米粒子中局域化的热量加热与光热纳米粒子网接触的盐水流时，其中含有的水可以蒸发通过网。然后水蒸气可以穿过间隙(例如，图3a中的第一间隙332)，在那里其可以在蒸气吸
收器中冷凝为经纯化的水。冷凝的经纯化的水可以横移通过蒸气吸收器到达出口管线，比如图3a中的管线334。如先前所述，经纯化的水流可以通过太阳能导体将热量传递到进入的盐水进料中。
122.在本公开的一些实施方案中，在盐水流经过纳米粒子网层之后，流体可以流过第二盐水流通道，比如图3a中的第二盐水流通道338。第二盐水流通道中容纳的盐水流中的另外的储存热量可以产生另外的水蒸气。来自第二盐水流通道的另外的水蒸气可以经过第二盐水流通道的多孔部分。然后另外的水蒸气可以横移通过第二间隙，比如图3a中的第二间隙344。另外的水蒸气可以被第二蒸气吸收器比如图3a中的第二蒸气吸收器342捕获。被捕获的水蒸气可以冷凝为第二经纯化的水流，并且横移通过出口管线，比如图3a中的管线346。第二蒸气吸收器中的第二冷凝水流可以通过与第二水蒸气和盐水进料通道耦连的导体将热量传导到盐水进料通道。第二盐水流通道中的剩余流体可以移动通过出口管线，比如图3a中的管线348。剩余流体可以是其中盐水浓度大于盐水进料流中的盐水浓度的卤水废物流。剩余流体还可以含有可以用于随后的串联耦连的系统的热能。
123.本公开的实施方案可以包括ptfs系统(例如，streed系统和/或nesmd系统)，其具有依赖于光强度的与盐水进料耦接的流量控制器，其中可以控制盐水进料管线中的流量。可以随着输入光强度控制输入流率，由此提供达到rex条件的实施方案。rex条件中的系统可以储存能量，并且长期运行，特别是在太阳能不可得时。可以通过随着太阳能强度调谐进料流率来实施rex以在优化条件下持续运行(参见图3b)。
124.本公开的实施方案可以包括以独立的模块化布置组装的ptfs系统(例如，streed系统和/或nesmd系统)。本公开的实施方案的模块化布置可以提供在单一操作中连接或耦连到一起的多个模块的可扩缩性。以此方式，设想了在单一操作中使用至少两个模块可以满足整体操作的小容量和大容量的需求，这取决于操作中使用的模块的数量。
125.例如，图3d示出了单个streed模块的一个实例，所述streed模块可以具有在例如约0.5至2米范围内的宽度和长度以及在例如约10至50cm范围内的厚度。每个streed模块都可以包括至少一条输入流(“盐水进料入”)和至少两条输出流(“卤水进料出”和“经纯化的水”)。
126.参照图3e，图3e示出了在streed操作362中组合的数个streed模块360(由黑色矩形表示)的示意图。图3e示出了盐水输入进料364、卤水输出366和淡水输出368。图3e示出了串联连接的streed模块(如图3e中连接的模块的行所示)，其中卤水离开流体可以用作在随后的模块中的盐水进料流体，并且可以合并最终的卤水输出366。图3e也示出了并联连接的streed模块(如图3e中的模块的列所示)，其中在同一列中，每个系统都可以独立于模块运行，并且可以合并淡水输出364。如图3e所示，多个streed模块比如streed模块360之间的并联连接和串联连接两者都可以提高容量(“y轴”)。串联连接的streed模块还可以改善对输出流的盐度(“x轴”)的控制，因为一个模块的输出可以是随后模块的输入(参见图3e中的同一行中的模块360)。在一些实施方案中，并且如图3e所示，系统可以包括串联连接(图3e行)和并联连接(图3e列)的streed模块。例如，根据一个或多个实施方案的系统可以具有ns＝63(其中ns是在每个模块行中的串联连接的模块的数量)和n
p
＝47(其中n
p
是在每个模块列中的并联连接的模块的数量)，以提供总计2,961个模块(n
p
*ns)。具有串联连接和并联连接的2,961个模块的此系统在光强度为6kwh/m2/天且盐水输入进料为120m3/天的情况下可以
生产100m3/天的淡水和20m3/天的卤水。
127.在本公开的一些实施方案中，多个模块或单元的使用还提供改善的在整体操作中的热效率。可以将多个层状ptfs模块比如streed模块或nesmd模块层叠以提高从离开的盐水流的热回收。可以将来自上游模块的卤水废物流进料到下游或下方的模块中，其中该卤水废物流可以用作下方模块的盐水进料。可以对随后的模块重复相同的程序，其中使用各卤水废物流作为系统中连接的下一个模块的进料流，由此使向环境的热损失最小化。在一些实施方案中，流入下方模块中的进料将通过(进料)导体吸收来自冷凝蒸气的汽化热，并如所述继续。
128.本公开的实施方案的模块布置可以进一步支持热能储存。能量效率可以随着每个额外的模块提高，因为总热能在连接的模块内继续再循环。热能传递到随后的下游模块。
129.本公开的实施方案的可扩缩特性可以提供大型操作(比如太阳能淡化场和油气废水处理)以及小型操作(比如家用或偏远社区淡水供应)的淡化。可以将数个模块串联或并联连接以实现所需的总系统容量。当使用卤水废物流作为随后模块的进入盐水进料流时，串联配置还可以提供对输出卤水(卤水废物流)的盐度的控制。图3f中示出了streed系统的使用的一个实例，其中streed系统可以包括串联和/或并联连接到一起的多个streed模块。图3f示出了在油田操作中使用的streed系统，其中将在石油抽提中采出的水预热并进料到streed系统中。通过淡化生产的水可以根据操作的品质和位置用于回注或其他可能用途。总而言之，streed实施方案可以通过将一部分采出水再循环而降低成本，减少卤水废物的量，并且通过销售经纯化的水来增加利润。
130.本公开的实施方案可以整合到各种应用中，包括用于家用、商业和工业操作的半咸水纯化。人造太阳光源比如高强度光源(led和lasers)的可用性和对自然光的获取开启了获得从微米-纳米尺寸光热装置到大尺寸热设备的本公开的实施方案的机会。可以使用本公开的实施方案的应用的实例为海水淡化、来自强化采油作业的废水、卤水浓缩和在废水处理过程中使用的具有零液体排放(zld)系统的应用。
131.本文所公开的streed系统举例说明了本公开的纳米光子驱动的太阳能膜淡化的基本方面。例如，通过并入最佳光聚焦元件并且使用rex提供约～20l/m2/天的淡水生产，streed已经显示出对系统性能的改善。streed模块的经验证的理论建模预测，根据例如streed系统的尺寸和入口进料的初始盐浓度，在24小时内具有输送总计～8kwh/m2的阳光的典型一天期间，淡水生产率为～30l/m2。此性能对应于～270kwh/m3或～3.7l/kwh的比能耗(sec)。在相同条件下，在不采用本公开的谐振能量储存原理的情况下，具有100％效率的蒸发系统可以实现约12l/m2/天。
132.streed模块可以提供淡化和热能储存。在直接阳光辐照i
太阳
下，假设汽化焓且i
太阳
＝1kw/m2，没有热回收的热淡化系统的每单位面积的最大蒸发通量率f
太阳
可以估算为可以估算为尽管h
汽化
实际上依赖于温度，但是此数表示可用于评价系统性能的基线。考虑到典型的每日阳光暴露(例如，图3b中的绿线)，在直接光照下，没有热回收的理想蒸馏系统(100％热效率)仅可以实现最大总每日生产淡水包括一个或多个streed模块的
实施方案可以实现高达为250％提高。另外，由于在系统设计中结合rex原理，在日落时，通量率可以更慢地减少，直到随后的日出。这方面使得能够将streed模块用作淡化装置和热能储存装置两者。
133.图3b示出了streed模块(蓝色)的通量率(左侧轴)和来自在48小时运行内的实际的时间相关性照度(绿色)的关于照度的数据(右侧轴)。图3c示出了streed模块的随着光强度优化的输入流率的实例。图3g示出了固定streed性能层与通量和增益输出比(gor)的相关性的实例。在图3b、3c和3g中，数据假设空气背景，其中streed模块中的每个层为0.5m长和10cm宽。图3b、3c和3g的streed模块中采用的材料和使用的相应厚度包括以下：1cm厚的丙烯酸玻璃隔绝体，0.5mm的ito导体，5mm的空气间隙蒸发层，100μm的纳米颗粒层，和2mm的进料水通道。在用于streed模块的数据中考虑了受抑制的辐射系数(ε＝0.1)和对流(hc＝0.5w/(m2k))。
134.本公开的实施方案可以用于改善热化学反应器的性能。例如，根据本公开的实施方案的热流体系统可以用作热化学反应器，其中至少两条逆向流动的液体流包含至少一种用于在谐振热振荡器中的化学反应的化学前体。在一些实施方案中，催化剂材料可以沿系统中的至少一个表面(例如，在热吸收层上)设置，其可以用于催化系统中的一个或多个反应。根据本公开的实施方案的在作为热化学反应器的热流体系统中的换热可以用于改变热流体系统中的化学反应的速率。例如，通过控制流过系统的一条或多条流体流的流率，可以优化换热以提供反应的选定温度条件，由此控制化学反应的速率。
135.本公开的实施方案可以以最小的维护需求提供有成本效益的供水的淡化。本公开的实施方案还可以为偏远位置提供淡水供应。例如，streed模块可以在没有太阳能集中器的情况下整合太阳能吸收和水淡化，同时能够处理宽的盐度范围。
136.本公开的实施方案还可以通过减少水处置体积来降低废水处置成本、运输排放和废水注入环境风险。
137.实验设置
138.使用带有10.2cm
×
40.6cm的线内hx的、在两侧都具有2mm水通道的10.2cm
×
20.3cm的nesmd模块进行实验。为了研究换热在达到系统的谐振条件中的影响，使外部参数比如入射光强度和温度的变化最小化。因此，用led灯(faishilan 200w led泛光灯，1000w卤素等效户外工作灯，使用us-3插头和开关的ip66防水型，20000lm，6500k)在产生～475w/m2的强度的距离上照射nesmd。在一些实施方案中，使用水浴(socal biomed)将进料和馏出物的输入温度保持相等且在25℃不变。此水浴温度被称为环境温度。外部温度为～20℃。在所有理论建模中，将进料和馏出物的输入环境温度设定为25℃，并且将外部散热器温度设定为20℃。使用变速蠕动泵(cole-parmer蠕动泵；0.4至85ml/min，12vdc/115vac ux-73160-32)将1重量％的盐水进料和去离子馏出物分别在膜的顶部和底部循环。通过用炭黑(cabot corporation)纳米粒子的光吸收层喷涂聚偏二氟乙烯(pvdf)膜来制作安装在nesmd单元中的光吸收膜。10.2cm
×
40.6cm的换热器包括～500μm厚的铝片用于换热。实验设置采用较低的1％(10,000tds)盐度的输入进料水。然而，在一些实施方案中，进料通道中大的溶质含量可以对流率优化具有敏感的影响，并且应予以考虑以使热回收最大化。
139.热淡化振荡器性能
140.转向图2c，图2c示出了在6.5ml/min的固定进料流量下不同馏出物流量的通过具有(蓝色曲线)和没有(品红色曲线)10.2cm
×
40.6cm线内hx的10.2cm
×
20.3cm nesmd的计算通量。不确定性由cb厚度的变化(2-10μm)产生。具有hx的耦合系统的测量实验通量以蓝色菱形示出，并且没有hx的以品红色三角形示出。在一些实施方案中，如图2c所示，保持进料流量(qf)在6.5ml/min不变，通过改变馏出物流量可以观察到清楚的谐振行为，实现了～1.1kg/(m2h)的最大经纯化的水通量。如图4-6中更详细地示出的，蓝色阴影区域对应于这些实验条件的模拟的经纯化的水通量。模拟曲线的宽度反映了cb涂层的渗透深度的变化(2-10微米)。图2c中还示出了裸nesmd系统的计算(品红色阴影区域)通量。
141.转向图2d，图2d示出了对于图2c中的装置来说计算的在hx区域中从馏出物传递到进料的功率。在耦合系统中，当与进料相比馏出物流量快得多(qd＞＞qf)或慢得多(qd＜＜qf)时，馏出物通量明显低于在谐振条件下的通量。在一些实施方案中，计算的从馏出物传递到进料的功率在匹配的进料速度和馏出物速度时出现峰值。图7示出了tdo系统的二维示意图，其中水由蓝色区域表示，hx由橙色表示，并且光吸收膜由灰色表示。
142.图8示出了在6.5ml/min的固定进料流量以及(i)1ml/min(qd＜＜qf)、(ii)7.4ml/min(qd～qf)和(iii)100ml/min(qd＞＞qf)的馏出物流量下，tdo系统中的总热通量矢量场(箭头-蓝色：nesmd，以及绿色：hx)。三种方案得到非常不同的热通量和温度分布。在qd～qf的谐振条件时的图8(ii)中出现清晰的循环热通量。图9a-9f中示出了更详细的分析。
143.转向图9a-9f，图9a-9f示出了根据一个或多个实施方案的具有和没有hx的nesmd的温度和通量分析。图9a示出了nesmd中沿着10.2cm
×
40.6cm线内hx和10.2cm
×
20.3cm膜中的金属的长度的温差，其通过从进料温度(实线)减去馏出物温度得到。对于没有hx的情况(虚线)，hx中的金属被没有热导率(～10-9w/(m
·
k))的隔绝体替代。示出了在qd(1ml/min)＜＜qf(6.5ml/min)的区域中的图。图9b示出了对于qd(1ml/min)＜＜qf(6.5ml/min)，在具有(实线)和没有(虚线)hx的情况下通过nesmd中的膜的经纯化的水通量。图9c示出了对于qd(7.4cm)～qf(6.5ml/min)，在具有(实线)和没有hx(虚线)的情况下的温差。图9d示出了对于qd(7.4cm)～qf(6.5ml/min)，在具有(实线)和没有(虚线)hx的情况下通过膜的通量。图9e示出了对于qd(100ml/min)＞＞qf(6.5ml/min)，在具有(实线)和没有hx(虚线)的情况下的温差。图9f示出了对于qd(100ml/min)＞＞qf(6.5ml/min)，在具有(实线)和没有(虚线)hx模块的情况下通过膜的通量。
144.在一些实施方案中，对于qd＜＜qf(图8(i)和9a-9f)，进料接收来自膜的热量，但是通过其出口快速失去该热量。最大温差出现在进料出口处，其中进入的馏出物温度接近25℃.在装置的其余部分中，如图9a所示，缓慢的馏出物接收来自逆流的进料的热量，导致稍负的温差。如图9b所示，δt(x)导致
‘
反蒸发(back evaporation)’，即从馏出物到进料的蒸发。这可以解释为什么图8(i)中的nesmd区域中的蓝色能量通量箭头从馏出物指向进料。对于qd～qf，进料首先沿着x提高其温度，通过传导吸收来自馏出物的热量。如图9c和9d所示，在具有正δt(x)的膜区域中，热量通过水蒸发传递到馏出物。
145.离开膜区域的热馏出物与进料换热，并且其温度降低。如图8(ii)中的通量箭头所示，当热量开始在系统中循环时，此过程最大化。在一些实施方案中，热量在进料和馏出物之间来回循环，并且此谐振效果是急剧提高的水通量的原因。对于qd＞＞qf，更慢的进料接收更多来自光吸收层的热量。如图9e和9f所示，更快的馏出物减少了进料和馏出物之间的
相互作用时间，保持在膜上的总体的正温度梯度。如图8(iii)所示，这导致从进料到经纯化的水通量形式的馏出物的热流。尽管馏出物通过冷凝收集热量，但是短的相互作用时间限制了换热，并且热量随着馏出物离开hx(fig.8(iii)，绿色箭头)而损失。
146.在一些实施方案中，当流率匹配(谐振条件)时，储存的能量及其衰减时间由于总损失最小化(这是谐振时的振动系统的特征)而最大化。如图8(ii)所示，此效果是由于在进料和馏出物之间交替(振荡)的热通量。图9a-9f详细地示出了对于简化但基本等同的情况如何可以分析计算能量衰减时间，突出了与更常见的时间驱动的谐波振荡器的相似性。
147.随着系统尺寸、损失和强度的动态热回收
148.在一些实施方案中，预测nesmd和/或streed系统的性能随着模块尺寸增大而改善。例如，图10a-10f示出了与随着尺寸增大对于tdo系统来说经纯化的水生产强化的实例相关的数据。图10a示出了tdo系统的示意图，其显示出在具有相等的膜长度和导体长度的耦合系统的两部分中的不同热损失机制。图10b示出了在20℃在1sun照度(1kw/m2)下相对于输入太阳能功率归一化的在与10.3cm
×
50cm的hx模块连接的10.3cm
×
50cm的nesmd模块中聚碳酸酯窗口层和水通道中的传导损失、对流损失和辐射损失。归一化的馏出物通量以蓝色显示。相关损失机制为通过进料和馏出物水流的对流和传导、通过聚碳酸酯(pc)窗口向环境的传导以及从顶部pc表面的对流/辐射。图10b中示出了随着流量变化的相对于输入太阳能功率归一化的各损失通道的相对权重。
149.图10c示出了对于相等的进料流率和馏出物流率，来自具有相同尺寸的换热器模块的长度在10cm至200cm范围内的10.3cm宽的nesmd模块的馏出物通量。图10c中示出了通量率与进料流量和馏出物流量的相关性。虚线标志在系统中的最大温度高于水的沸点时的通量。如图11所示，虚曲线对应于其中系统中的最大温度(t
max
)高于水的沸点(tb)。图11示出了对于在相等长度的下方hx层的情况下将nesmd模块尺寸从10cm增大到200cm，在不同的谐振的进料流量和馏出物流量的情况下tdo系统中的最大温度。表现出其中系统中的最大温度(t
max
)高于水的沸点(tb)的温度的配置将无法运行，但是此处包括它们是有益的，因为它们为理解系统优化提供了背景。图10c中观察到的两个主要特征是：(i)对于给定的一对匹配的进料流量和馏出物流量，每条曲线都表现出通量峰，和(ii)峰通量值随着尺寸增加而增大，直到特定长度(～50cm)，随后在～1.5kg/m2h饱和。
150.如图10c所示，通量率从其在较低流率处的低值增大，因为pc中的所有三种损失机制即传导、对流和辐射都随着进料流率升高而减少。这在图10b中示出，该图显示出相对于来自吸收阳光的输入热源归一化的从nesmd区域的相对损失。在较高的流率下，主导的损失是对流，主要是进料和馏出物自身的对流。对于～20ml/min的流量和～50cm的模块长度，出现外部损失和热量再循环之间的最佳平衡，对应于～1.5kg/(m2h)的最大淡水通量率(图10c)。尽管可以通过尺寸放大的牺牲来优化谐振振荡器行为，但是在有限尺寸的模块中使淡水通量最大化的可能性可以实现例如用于分布式家用环境的具有前所未有的性能和效率的便携式或模块化系统。
151.图10d示出了不同模块尺寸的最佳匹配流率值(左侧y轴，黑色)和相应的通量率(右侧y轴，蓝色)。图10e示出了一种层叠tdo系统的示意图。图10f示出了在具有动态控制(橙色)和没有动态控制(灰色)的情况下在9小时白天期间来自具有10个hx层的nesmd的通量产生(左侧轴)的比较。没有hx层的相同系统的在具有动态控制(红色)和没有动态控制
(深灰色)的情况下的通量率。绿色的太阳能强度变化(右侧轴)。
152.随着系统尺寸增大的馏出物通量率的饱和值取决于积聚的热能、流动速度和外部损失之间的平衡。更多的扩展模块从更大的光吸收面积受益，但是需要更快的流量和更长的换热器。图10d中示出了不同系统尺寸(图10c)的最佳匹配流量。匹配的流量可能随着系统尺寸而增大，因为为了避免沸腾和保持最佳温度分布从而使通量最大化，使用额外的对流冷却。
153.为了保持谐振和最佳的馏出物通量值，在典型的白天内，随着太阳辐射变化，可以急剧地调谐流率。考虑具有有限的辐射损失(具有在红外区中的∈＝0.01的低辐射系数涂层)的50em隔绝式nesmd系统。想法是：配置一种高效的、折叠的且层叠的具有n个hx层的结构(图10e)。例如，对于在新墨西哥州的阿拉莫戈多(alamogordo，nm)的典型的太阳能强度(图10f中的绿色虚曲线)，分析了在整个白天内的使用n＝10个hx层的tdo性能。对于每种输入光强度，如图12所示，选择最佳的一对匹配的流量，以获得最佳的水生产(图10f中的橙色区域)。在一些实施方案中，在图10f中将流量随强度动态变化情况下的水通量产生(橙色)与来自具有对于1sun优化的流量值的装置的通量(灰色)进行比较。通过将在整个白天内的通量率积分，与固定流量(灰色)的15.9l/(m2天)相比，动态流率控制可以产生20.5l/(m2天)的总输出，净增益为29％。来自没有hx的nesmd系统的产量将会小得多：在具有动态流率控制的情况下为1.7l/(m2·
天)，并且在没有流率控制的情况下为1.5l/(m2天)。动态热回收系统的比能耗(即产生1立方米经纯化的水所消耗的能量)为276.8kwh。
154.图13a-13b中示出了对于不同入射强度i(0.1至1sun)，通量率与n(1至10)的相关性。图13c示出了在传热系数h
hx
从0.01-5w/m2k变化的情况下，在100w/m2(灰色)、250w/m2(红色)、500w/m2(蓝色)、750w/m2(品红色)和1000w/m2(黑色)的不同太阳能强度下，来自1层(虚线)和10层(实线)的tdo系统的通量产生。对于给定的n，通量率随强度而增大，因为通过光吸收纳米粒子收获了更多的功率。通量还随n增大而增大，因为馏出物可以通过由更多hx层提供的更长路径长度将更多热量传递回进料。为了实现在更高强度下的更大通量，匹配的流量需要提高以保持温度低于水的沸点。如图14a-14c所示，尽管更高的强度给出更高的通量，但是在高于一定强度时效率开始下降。原因是微妙的：对于给定的强度，典型的通量vs.匹配流量曲线具有图10c所示的类型的形状，其特征为峰值流率和对于较大或较小流量的较低性能。然而，t
max
＜tb的限制将t
max
～tb边缘推得远离该峰，推向更高的匹配流量区域。这转化为亚于最佳的效率。
155.在一些实施方案中，最佳效率条件还取决于损失。假设了小的总传热系数h
hx
＝0.01w/(m2k)，因为hx模块不暴露于环境并且可以充分隔绝。在一些实施方案中，对系统性能进行hx损失的影响的分析。如图15a-15b所示，动态流率控制还可以应用于缓解损失。图15a示出了系统中优化的进料流量和馏出物流量的数据可以随着较低强度情况下的损失增加而升高，并且随着较高强度情况下的损失增加而降低。图15b示出了不同强度和损失下的相同系统的相应温度。在一些实施方案中，实时的动态流量控制可以将变化的进料盐度以及降低/升高的进料/馏出物流量(由于两个通道之间的蒸发水的转移)考虑在内以确保甚至更准确的热回收优化。
156.跨谐振的热通量动力学的理论分析
157.转向图16a-16f，图16a-16f示出了来自根据一个或多个实施方案的谐振传热
(rex)构思的数据。图16a示出了具有长度l和厚度w的两个相互作用的通道。两条逆流的流qf和qd被还用作平面热源is(w/m2)的导热体分隔开。所述流通过沿着x的热的平流和沿着z的以有效传热系数h
eff
(w/m2/k)的换热传输热量，所述有效传热系数考虑了水和导体两者的热性质。分别在区域[0-l/2]和[-l/2-0]中计算净传热if→d和id→f。假设系统是隔热的。热量通过出口离开系统。所述流(水)的密度和比热分别为ρ和c。红色箭头表示接近谐振条件的热流。
[0158]
图16b示出了在固定qf和h
eff
＝200w/m2/k、l＝24in、c＝4.18kj/kg/k、ρ＝1g/cm3的情况下对于作为qd的函数的if→d(实线，蓝色)和if→d(实线，绿色)的传热强化(相对于
is
归一化)。对于厚度w＝2mm且宽度d＝4in的横截面，流率qf为8、15和20ml/min。水平虚线为i/is＝1。图3c示出了对于10cm、20cm、50cm、100cm和200cm的不同系统长度，作为uudd＝uudd的函数的if→d的传热强化(相对于is归一化)。图16d示出了对于qf＝20ml/min且qd＝2ml/min的计算温度地图(彩色)。黑色曲线为在(0，0)插入直到其离开通道之一的无质量探针的空间-时间轨迹。图16e示出了与图16d相同的内容，但是qf＝20ml/min且qd＝200ml/min。图16f示出了与图16d和16e相同的内容，其中qf＝qd＝20ml/min。
[0159]
在一些实施方案中，一个简单的模型可以包括两个相邻的长度l和厚度w的通道即进料(f)和馏出物(d)，其被薄的导热体分隔开并且在温度t
amb
进入系统后以逆流模式流动(图16a)。在所示的实施方案中，f和d通道中的水分别以速率qf＝auf和qd＝aud流动，其中uf和ud表示速度，并且a表示横截面积。水密度为ρ，并且热容为c。两条流都与环境隔绝，并且恒定热源is(w/m2)位于通道之间。f和d可以以有效传热系数h
eff
换热(沿着z)。不考虑流体中的相变，并且假设所有参数都是与温度无关的。另外，在一些实施方案中假设所述流携带热量(热的平流)，忽略与流动方向平行的传导传热。在大的佩克莱(peclet，pe)数(在本实施方案中，pe＞＞1)的情况下，此假设是合理的。热量可以通过f和d的出口离开系统。这些假设使得能够表征作为两个耦合的可通过分析求解的1d系统的f和d之间的相互作用。
[0160]
图16b示出了对于不同的uf值和无量纲参数相对于输入热源is归一化的图if→d(蓝色线)和id→
ff
(绿色线)，所述无量纲参数包括所有系统参数，并且可以通过改变ud简单地调节。当在if→d≈id→f的情况下γd≈γf(即ud≈uf)时，达到换热的峰值。此处，热量可以在f和d之间再循环(图16a)，导致热能的积聚。在数学方面，当ud→
uf时，系统变成xz平面的180
°
旋转对称，并且热通量肯定大小相等且方向相反。在不同的流动速度(γd＞＞γf或γd＜＜γf)下，由于缺少关于z的镜面对称(流动速度具有相反的正负号)，曲线不重叠。在简单的物理方面还可以理解，如果γd＜＜γf，则馏出物流量远快于进料流量，并且整个d通道接近tamb。因此，if→d是正的，并且id→f是负的，并且当γd＞＞γf时，传热反转。
[0161]
可以将依赖于流量的传热描述为没有拟合参数的洛伦兹函数曲线(如图17所示)。洛伦兹函数响应是许多振荡现象的代表，强化了对耦合系统作为具有谐振的系统的描述。重叠准确地在γd＝γf，其中：
[0162]
其中γ＝γd＝γf(即ud＝uf)
[0163]
此现象与许多其他谐振振荡器系统(例如，激光腔、等离子体纳米粒子、环形谐振
器)具有类似性，其中在将输入功率释放或耗散(例如，散射的辐射或热量)之前外部源与储存能量(例如，电磁能)的系统耦合(例如，入射到金属纳米粒子上的光)。在一些实施方案中，系统(通道之一)通过流率(相反的经加热的通道)驱动，储存的能量是热能，并且耦合和释放的功率为热通量。
[0164]
除了建立谐振条件以外，γ起通道之间的传热
‘
强化’(i/is)的作用。在γ
∝
lu/的情况下，更长的通道(更大的l)将获得更强的高速流的耦合。此概况与tdo系统的细节相关，其中is表示由cb纳米粒子产生的热量，并且if→d、id→f分别表示蒸发-冷凝和回收热通量。预测的转化为热淡化效率其中i
evap
＝h
evap
f，h
evap
(j/kg)是水汽化焓，并且ff(kg/(m2h))表示蒸馏的通量率。大于一的效率可以与增益输出比(gor)相关，其量化了如何将冷凝热再用于另外的蒸馏。考虑到在具有和没有hx的情况下获得的通量率，对于图2b-2d、7和8中报告的实验结果可以估算出gor～5，并且对于n＝10层叠构造(图18a和18b所示)可以估算出最大gor～12。图18a示出了n＝10层叠系统的依赖于入射照射的在不进行热回收(蓝色，虚线)、热回收(蓝色，实线)和没有热回收的热淡化的理论极限的情况下的通量率(左侧y轴)(如图10e和10f中所分析的)，以及通过采用在没有热回收的情况下的计算通量率(蓝色，虚线)与相应的理论极限之间的比率获得的提取太阳能利用效率(黑色，实线)(右侧y轴)。图18b示出了通过采用在具有热回收(蓝色，实线)和没有热回收(蓝色，虚线)的情况下的通量率之间的比率并且假设太阳能效率计算的gor(红色，实线)。对于通常在白天获得的所有阳光强度，动态控制还确保较大的gor》8。
[0165]
可以扩展分析模型以解释由图10c所示的峰表示的损失的影响。模型现在假设匹配的流量(ud＝uf)和有效损失系数g
eff
，其如图19和20a和20b所示将热量传递到环境。图19示出了系统的作为10cm、20cm、50cm、100cm、200cm的模块长度和拟合参数γ的函数的从进料到馏出物的净传热的传热强化(相对于is归一化)。图20a和20b示出了分析求解的1m系统的作为系统中的损失(g
eff
值)以及相等的进料流量和馏出物流量的函数的从进料到馏出物的净传热的传热强化(相对于is归一化)。图16c中示出了不同模块尺寸下的换热通量提高与匹配流量的相关性。与所有数值计算(图10c)相符，对于特定的匹配流量值存在最大传热，并且这样的值取决于通道长度(图10d)。
[0166]
为了使耦合通道的振荡行为可视化，在一些实施方案中，对图16a中的系统进行2d数值模拟，其中经加热的流被认为是层流并且与热传输耦合。在图16d-16f中，绘制远离谐振(图16d：qf/qd＝10，图16e：qf/qd＝0.1)和接近谐振(图16f：qf/qd＝1)的耦合的ff和d通道的温度地图(彩色，在每种情况下都相对于最大温度归一化)。为了追踪热通量动力学，显示接近原点插入的无质量探针的轨迹(黑线)，并且其通过热通量场传播，直到它们离开系统(黑点)。远离谐振的情况下，探针沿着较直接的路径传输到f或d通道出口(图16d和16e)。在谐振时，在离开通道之前，探针从f到d以及从d到f多次循环(图16e)。此动力学描述了系统再利用热量的能力。图16g中示出了较慢的谐振流量的情况。
[0167]
基本建模方法涉及在通道区域中的层流(当装置以低雷诺数方式运行时)求解的纳维尔-斯托克斯方程(navier-stokes equation)。在膜区域中求解扩散方程，其中将孔隙率和温度两者的影响都考虑在内以描述膜内的水蒸气的扩散系数。热传输方程在所有域中求解，并且包括在存在流体的进料和馏出物区域内的对流传热。此处，可以扩大在一些实施
方案中暴露的几何形状和热性质之间的差异(主要是边界条件)。在以下内容中，除非指明，否则考虑在环境温度下的入口流率(qf和qd)。
[0168]
第一模型即模型1用于复制室内实验条件。进料和馏出物在25℃的温度进入装置。使用流入边界条件以考虑通过入口边界的热流。换热器(橙色区域)是高度隔热的，并且为了简化，对此区域假设完美的隔热。实验装置位于由钢制成的推车上，所述推车由于其高热导率而可以被认为是其温度固定在室温即20℃的散热器，该温度被用作边界条件。将聚碳酸酯箱的底面用螺钉固定至膜，所述螺钉将装置保持在距离推车顶部5mm处。led从10cm距离照亮装置，但是led灯的玻璃位于距离聚碳酸酯顶部5em处，并且其被led耗散加热到40℃的测量温度，该温度被用作边界条件。已经包括了从顶部聚碳酸酯表面的额外的对流损失和辐射损失。因为led相对地接近于装置放置，所以预期对流贡献减少，并且选择对流系数h＝0.1(w/m2/k)。选择类似于黑体的辐射系数∈＝0.9来评价辐射损失。在底部区域忽略对流损失和辐射损失，因为聚碳酸酯层的底面达到接近于散热器固定的20℃边界条件的温度。所有横向边界都被认为是隔热的，因为考虑到与装置的横向延伸相比的域的有限厚度，可以忽略任何损失。
[0169]
第二模型即模型2用于图10a-10d来计算数据。图10a-10d背后的构思是估计实验装置在户外和不同尺寸的情况下的性能。因此，除了改变的尺寸和边界条件以外，该模型与先前部分中的相同。特别地，用阳光强度代替led，并且顶部聚碳酸酯表面现在与环境换热：厚空气层被认为终止于无限元以模拟户外条件。对流损失和辐射损失指的是20℃户外温度，和并且采用h＝5(w/m2/k)来模拟非强制自然对流。
[0170]
第三模型即模型3用于图10e-10f来计算数据。图10e-10f中考虑的优化模型基于模型1和模型2的相同原理，但是具有以下区别。装置现在被认为放置在气凝胶基底(与聚碳酸酯相比更隔热：与k
poly
＝0.19(w/m/k)相比，k
aero
＝0.017(w/m/k))上。为了使辐射损失最小化，假设将红外反射镜放置在聚碳酸酯顶层上方，辐射系数∈＝0.01。最后，为了研究换热器区域中的可能损失的影响，对于两个hx表面选择改变的传热系数h
coeff
＝0.1-5(w/m/k)，现在假设所述表面通过20℃的环境散热。
[0171]
转向图21a和21b，图21a和21b分别示出了阴天和晴天的数小时处理后使用具有能量储存能力的谐振热振荡器的太阳能淡化的实例。所示实例是基于在新墨西哥州的阿拉莫戈多(alamogordo，nm)获得的太阳能数据的模拟。
[0172]
转向图22，图22示出了hx材料的热导率k
hx
＝m
cond
×
400(w/(mk))降低的影响，其中m
cond
是将给定热导率与另一热导率比较的倍增因子。考虑到相对于hx的长度(40.6cm)而言进料流体和馏出物流体二者较低的速度(＜1mm/s)，除非热导率显著下降(m
cond
＜0.001)，否则热导率对热回收几乎没有影响。对于高热导率观察到的小的通量减少可能是由于与通过照射窗口暴露于环境的膜区域不同的充分隔热的hx区域。因此，较大的热导率暗示了热在更靠近该膜区域处再循环，其可能更多地暴露于外部损失。
[0173]
转向图23a-23d，图23a示出了在进料和馏出物通道的厚度(w)从～0.5mm变为～50mm时系统中的淡水通量率和最大温度。此参数也显著影响系统性能，在w～1.6mm显示出峰值。在图23b-23d中，图23b-23d分别示出了w～0.5mm、1.6mm和50mm的情况下的温度和热通量矢量场。更高的最大温度不一定与更好的性能相关，因为当温度升高时，不同的损失可能消耗更多的输入功率。
[0174]
转向图24，图24示出了流程图2400，其描述了用于根据一个或多个实施方案的热流体系统中的谐振热振荡器的方法。应理解，流程图中的步骤中的一个或多个可以省略、重复、和/或以与所示顺序不同的顺序进行。因此，本发明的范围不应被认为限于流程图中所示的步骤的具体设置。
[0175]
在步骤2402中，可以将纳米光子学驱动的太阳能膜蒸馏系统和动态热回收系统组合为耦合系统，其中将至少两条被膜分隔开的包含进料流和馏出物流的逆向流动的液体流相匹配。在步骤2404中，可以通过纳米光子学驱动的太阳能膜蒸馏系统和动态热回收系统的耦合系统将热能再循环到进料流中。
[0176]
在步骤2406中，在没有光入射到耦合系统上时，可以通过纳米光子学驱动的太阳能膜蒸馏系统和动态热回收系统的耦合系统使得运行能够进行。
[0177]
采用本文所公开的传热机制的热流体系统可以用于不同的应用。例如，本文所公开的系统可以用于淡化应用，比如以上讨论描述的nesmd和streed系统。在一些实施方案中，本文所公开的系统可以在热振荡器中使用总体温度控制来强化过程，例如，具有化学反应的过程。例如，化学反应可以在升高的温度下加速。根据本公开的实施方案的热流体系统作为热化学反应器的用途可以包括至少两条逆向流动的液体流，其中至少一条流包含用于在谐振热振荡器中的化学反应的化学前体。通过使用本文所公开的系统中的热振荡器积聚热能，可以升高系统中的温度以加速一种或多种化学前体的化学反应。另外，如果将分隔本文所公开的热流体系统中的流体通道的光吸收层改性为包含催化所关注的化学反应的材料，则可以利用低成本功率输入(比如阳光)来提高反应进行的速率。以这样的方式，可以通过热振荡器强化任何液相热反应。
[0178]
在一些实施方案中，本文所公开的系统可以用于热能积聚，其中保持热振荡器谐振可以保持系统中的热量被捕获。因此，系统花费更长的时间回到环境温度，即使当光源被关闭时。因此，与在光照减少时(例如，在夜晚)其功能突然降低的常规太阳能技术相比，本公开的系统中使用的热振荡器可以将热能储存更长的时间，并且即使光照被阻挡(例如，被云阻挡)或停止(例如，在夜晚)时也可以至少部分地运行。以这样的方式，根据本公开的实施方案的系统可以使用热振荡器作为热电池。热电池可以用于储存热量，所述热量可以稍后用于驱动热过程。另外，可以控制作为热电池使用的系统以通过控制在谐振或非谐振下运行热振荡器来控制充电(储存热量)和放电(提取热量)。因为谐振可以通过调谐输入流率简单地控制，所以本文所公开的系统中的热振荡器的使用可以提供流体驱动的热电池。根据本公开的实施方案的系统可以用作热电池用于各种应用，比如电动车中的冷却和加热。
[0179]
尽管已经参照有限数量的实施方案对本公开进行了描述，但是受益于本公开的本领域技术人员将会理解，可以设计不背离本文所公开的本公开的范围的其他实施方案。因此，本公开的范围应仅由所附权利要求限定。