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太阳浸泡装置将水变成过热蒸汽

2019-04-05 17:01:49来源:

麻省理工学院的工程师已经建造了一种装置,可以从太阳中吸收足够的热量来煮沸水并产生超过100摄氏度的“过热”蒸汽,而不需要任何昂贵的光学元件。

在阳光明媚的日子里,该结构可以被动地抽出足够热的蒸汽来对医疗设备进行消毒,以及用于烹饪和清洁。蒸汽也可以向工业过程供热,或者可以收集和冷凝以产生脱盐的蒸馏饮用水。

研究人员之前开发了一种海绵状结构,漂浮在一个容器中,并将吸收的水转化为蒸汽。但是一个大问题是水中的污染物会导致结构随着时间的推移而降解。新设备设计为悬浮在水面上,以避免任何可能的污染。

悬挂装置的尺寸和厚度大约相当于一个小型数字平板电脑或电子阅读器,其结构类似于三明治:顶层由有效吸收太阳热量的材料制成,而底层则有效地将热量散发到下面的水。一旦水达到沸点(100℃),它就会释放出升回装置的蒸汽,在那里它通过中间层漏斗 - 一种类似泡沫的材料,可以进一步加热沸点以上的蒸汽。通过单管抽出。

“这是一个完全被动的系统 - 你只需把它留在外面吸收阳光,”约克大学机械工程助理教授托马斯库珀说,他在麻省理工学院担任博士后工作。“你可以把它扩展到可以用于远程气候的东西,为一个家庭生成足够的饮用水,或者为一个手术室消毒设备。”

团队的结果详见一篇论文,将在Nature Communications上发表。该研究包括麻省理工学院动力工程学院Carl Richard Soderberg教授Gang Chen实验室的研究人员。

巧妙的组合

2014年,陈的小组报告了一个简单的太阳能驱动蒸汽发生器的首次演示,其形式为石墨覆盖的碳泡沫,漂浮在水面上。这种结构吸收并定位太阳的热量到水面(否则热量将穿透水面)。从那时起,他的团队和其他人一直希望用不同的吸收太阳能的材料来提高设计效率。但是几乎所有的设备都被设计成直接漂浮在水上,并且它们都遇到污染问题,因为它们的表面与盐和水中的其他杂质接触。

该团队决定设计一种悬浮在水面上的设备。该装置被构造成吸收短波长太阳能,该太阳能又加热装置,使其以更长波长的红外辐射的形式将这种热量再辐射到下面的水中。有趣的是,研究人员指出,红外波长更容易被水吸收,而太阳波长则更容易通过。

对于器件的顶层,他们选择了一种高效的太阳能吸收器金属陶瓷复合材料。它们在结构的底层涂上了一种能够轻松有效地散发热量的材料。在这两种材料之间,它们夹着一层网状碳泡沫 - 基本上是一种海绵状材料,上面布满了蜿蜒的隧道和毛孔,保留了太阳的热量,可以进一步加热通过泡沫回升的蒸汽。研究人员还在泡沫的一端安装了一个小出口管,所有蒸汽都可以通过这个出口管轻松收集。

最后,他们将设备放在一盆水上,用聚合物外壳包围整个装置,以防止热量逸出。

“这是对不同材料的巧妙设计,以及它们如何安排,使我们能够通过这种非接触式安排实现相当高的效率,”Cooper说。

全力以赴

研究人员首先通过在实验室中进行实验来测试结构,使用太阳模拟器模拟自然阳光在不同的受控强度下的特征。他们发现该结构能够将一小盆水加热至沸点并在122℃下产生过热蒸汽,模拟在晴朗的晴天产生的阳光。当研究人员将这种太阳能强度增加1.7倍时,他们发现该装置在144摄氏度时产生更热的蒸汽。

2017年10月21日,他们在环境条件下在麻省理工学院1号楼的屋顶上测试了该设备。这一天清晰明亮,为了进一步提高太阳的强度,研究人员构建了一个简单的太阳能聚光器 - 一个曲面镜,有助于收集和重定向更多的阳光到设备上,从而提高入射的太阳光通量,类似于放大镜可以用来集中太阳光束来加热一块路面。

通过这种增加的屏蔽,该结构在3.5小时的过程中产生超过146℃的蒸汽。在随后的实验中,该团队能够从海水中产生蒸汽,而不会用盐晶体污染设备表面。在另一组实验中,他们还能够在烧瓶中收集和冷凝蒸汽以产生纯净的蒸馏水。

Chen表示,除了克服污染的挑战外,该设备的设计还可以在一个点集中流动收集蒸汽,而之前的设计产生更多的稀释喷雾。

“这种设计真正解决了污垢问题和蒸汽收集问题,”陈说。“现在我们希望提高效率并改善系统。有不同的机会,我们正在寻找最佳选择。”