基于GO/PI/PTFE復(fù)合薄膜的熱空氣吹掠型太陽(yáng)能界面蒸發(fā)效率實(shí)驗(yàn)研究

收稿日期：2023-04-20

基金項(xiàng)目：風(fēng)能太陽(yáng)能利用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（2019-2021）；內(nèi)蒙古自然基金（2021LHMS05007）；內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)博士基金（BS201933）；內(nèi)蒙古自治區(qū)重大專項(xiàng)（2019ZD0014）

通信作者：高虹（1972—），女，博士、副教授，主要從事強(qiáng)化傳熱技術(shù)方面的研究。1505071310@qq.com

DOI： 10.19911/j.1003-0417.tyn20230420.01 文章編號(hào)：1003-0417（2024）04-59-07

摘 要：為了提高太陽(yáng)能界面蒸發(fā)的蒸發(fā)效率，從改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和光熱材料兩個(gè)方面出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種熱空氣吹掠型太陽(yáng)能界面蒸發(fā)裝置。該蒸發(fā)裝置利用平板型太陽(yáng)能空氣集熱器產(chǎn)生的高溫空氣吹過蒸發(fā)表面，加速界面蒸發(fā)；同時(shí)利用氧化石墨烯的性能優(yōu)勢(shì)，制備了氧化石墨烯/聚酰亞胺/聚四氟乙烯膜（GO/PI/PTFE）復(fù)合薄膜作為光熱材料，以提高裝置蒸發(fā)效率。最后通過實(shí)驗(yàn)對(duì)該蒸發(fā)裝置的性能進(jìn)行分析驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：制備得到的GO/PI/PTFE復(fù)合薄膜具有更強(qiáng)的光吸收能力，且親水性能更佳。在蒸發(fā)表面吹入速度為4 m/s、溫度為65 ℃的熱空氣，太陽(yáng)輻照度為1000 W/m2的條件下，在1800 s時(shí)，采用GO/PI/PTFE復(fù)合薄膜但無熱風(fēng)吹掠的蒸發(fā)裝置對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)速率為1.22 kg/（m2·h），與純水蒸發(fā)裝置相比，蒸發(fā)速率提高了3.2倍，蒸發(fā)效率提高了59.5%；熱空氣吹掠型太陽(yáng)能界面蒸發(fā)裝置的蒸發(fā)效率為88.0%，高于純水蒸發(fā)裝置和無熱空氣吹掠的蒸發(fā)裝置，與純水蒸發(fā)裝置相比，其蒸發(fā)速率提高了5.5倍，蒸發(fā)效率提高了68.0%。熱空氣吹掠可以提高蒸發(fā)量，進(jìn)而提高蒸發(fā)裝置的蒸發(fā)效率。研究結(jié)果可為后續(xù)提高熱空氣吹掠型太陽(yáng)能界面蒸發(fā)裝置蒸發(fā)效率的研究提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能蒸發(fā)裝置；界面蒸發(fā)；蒸發(fā)效率；氧化石墨烯；光熱材料；熱空氣吹掠；傳熱強(qiáng)化

中圖分類號(hào)：TK519/U664.5+91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

太陽(yáng)能蒸發(fā)是一種傳統(tǒng)的太陽(yáng)能脫鹽蒸汽生產(chǎn)方法，已得到了廣泛應(yīng)用，且由于采用了界面蒸發(fā)技術(shù)使其蒸發(fā)效率顯著提高，近年來備受關(guān)注。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)太陽(yáng)能界面蒸發(fā)的研究大多集中在通過材料創(chuàng)新[1-5]和裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高蒸發(fā)效率方面。在眾多研究中，Ma等[6]通過原位聚合法制備了羧酸石墨烯/聚酰亞胺（GO-COOH/PI）復(fù)合薄膜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與聚酰亞胺（PI）薄膜相比，GO-COOH/PI復(fù)合薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)提高了128%。Zhao等[7]通過在氧化石墨烯（GO）和聚酰亞胺之間形成交聯(lián)鍵，將氧化石墨烯制成三維泡沫，并通過熱壓氧化預(yù)處理、熱壓碳化和石墨化等工藝制備成還原氧化石墨烯/聚酰亞胺（g-rGO/PI）復(fù)合薄膜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該復(fù)合薄膜表現(xiàn)出了優(yōu)異的機(jī)械性能。Liu等[8]設(shè)計(jì)了一種由聚丙烯腈（PAN）和PAN/氧化石墨烯片段組成的雙層薄膜，其具有類似于木材的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)，膜內(nèi)形成的微通道改善了對(duì)水的芯吸效應(yīng)和通量，該雙層薄膜結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能熱效率可達(dá)83%。Bai等[9]提出在青磚上涂抹石墨烯來制備雙層倒錐結(jié)構(gòu)，隨著石墨烯濃度的增加，采用該結(jié)構(gòu)的界面蒸發(fā)裝置的蒸發(fā)速率迅速增加，并穩(wěn)定在1.09 kg/（m2·h）。索茹[10]設(shè)計(jì)了一種新型水通道結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在保溫層包裹1層無塵紙，并在聚苯乙烯保溫層中間打孔，將另外的柱狀無塵紙插入聚苯乙烯保溫層打的孔中，該結(jié)構(gòu)可提高蒸發(fā)速率。從以上研究可以看出，研究者們通過改變蒸發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來提高蒸發(fā)效率的研究?jī)H停留在針對(duì)吸體結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新方面。基于此，本文從改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和光熱材料兩個(gè)方面出發(fā)，設(shè)計(jì)一種熱空氣吹掠型太陽(yáng)能界面蒸發(fā)裝置。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，該蒸發(fā)裝置采用空氣加熱[11-12]的方式，利用平板型太陽(yáng)能空氣集熱器產(chǎn)生的高溫空氣吹過蒸發(fā)表面，加速界面蒸發(fā)；同時(shí)，利用氧化石墨烯的性能優(yōu)勢(shì)，制備氧化石墨烯/聚酰亞胺/聚四氟乙烯膜（GO/PI/PTFE）復(fù)合薄膜作為太陽(yáng)能界面蒸發(fā)裝置的光熱材料，從而提高該裝置的蒸發(fā)效率。

1" 蒸發(fā)性能實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1" 太陽(yáng)能界面蒸發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文的蒸發(fā)性能實(shí)驗(yàn)共采用3種蒸發(fā)裝置，分別為：

1） 純水蒸發(fā)裝置。

2） 蒸發(fā)裝置A。該裝置采用文獻(xiàn)[10]提出的新型水通道結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1a所示。其中：黑色部分為光熱材料，采用GO/PI/PTFE復(fù)合薄膜；黃色部分為保溫層，采用聚苯乙烯泡沫；藍(lán)色部分為模擬的海水。

3） 本文提出的熱空氣吹掠型太陽(yáng)能界面蒸發(fā)裝置（下文簡(jiǎn)稱為“蒸發(fā)裝置B”）。該蒸發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)是在蒸發(fā)裝置A的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，利用平板型太陽(yáng)能空氣集熱器向蒸發(fā)裝置的蒸發(fā)表面吹掠熱空氣，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1b所示。

1.2" 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備

蒸發(fā)性能實(shí)驗(yàn)采用的儀器和設(shè)備包括人工太陽(yáng)光模擬器、K型熱電偶、拓普瑞TP700多路數(shù)據(jù)記錄儀、電子天平等，如圖2所示。

a. 蒸發(fā)裝置A

b. 蒸發(fā)裝置B

圖1" 蒸發(fā)裝置A和蒸發(fā)裝置B的結(jié)構(gòu)示意圖

Fig. 1" Structural schematic diagrams of evaporation

device A and evaporation device B

圖2" 蒸發(fā)性能實(shí)驗(yàn)采用的儀器和設(shè)備圖

Fig. 2" Photo of instruments and equipment used in the evaporation performance experiment

采用人工太陽(yáng)光模擬器作為實(shí)驗(yàn)的光照來源，其光譜范圍為280～3000 nm，照射范圍為距離人工太陽(yáng)模擬器1 m之內(nèi)，光源為線性光源且發(fā)光均勻。實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定太陽(yáng)輻照度為1000 W/m2。

在蒸汽性能實(shí)驗(yàn)過程中，為準(zhǔn)確計(jì)算太陽(yáng)能界面蒸發(fā)裝置的蒸發(fā)效率，采用精度較高的電子天平測(cè)量實(shí)驗(yàn)過程中各部分的質(zhì)量變化；采用K型熱電偶監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能界面蒸發(fā)裝置蒸發(fā)表面的溫度變化，并采用型號(hào)為拓普瑞TP700的多路數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行記錄。

1.3 蒸發(fā)性能實(shí)驗(yàn)的測(cè)量與計(jì)算

由蒸發(fā)引起的水的累計(jì)質(zhì)量變化量和蒸發(fā)速率是評(píng)價(jià)太陽(yáng)能界面蒸發(fā)裝置性能的重要衡量指標(biāo)，在蒸發(fā)裝置的性能測(cè)試中具有重要意義。

蒸發(fā)速率是指單位面積上，單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的水的質(zhì)量。蒸發(fā)速率m[13]可表示為：

（1）

式中：Δm為由蒸發(fā)引起的水的累計(jì)質(zhì)量變化量，kg；s為蒸發(fā)表面的橫截面積，m2；t為太陽(yáng)照射時(shí)間，h。

蒸發(fā)效率的定義為蒸發(fā)過程中消耗的能量與輸入蒸發(fā)裝置的熱能的比值，其是太陽(yáng)能界面蒸發(fā)裝置重要的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)于無熱空氣吹掠的蒸發(fā)裝置A，輸入蒸發(fā)裝置的熱能即為太陽(yáng)能，其蒸發(fā)效率ηeva[14]可表示為：

（2）

式中：hLV為單位質(zhì)量水汽化所吸收的熱量，J/kg；Qin為裝置蒸發(fā)表面接收的太陽(yáng)輻照度，W/m2。

對(duì)于蒸發(fā)裝置B而言，輸入蒸發(fā)裝置的熱能即為太陽(yáng)能和經(jīng)過平板型太陽(yáng)能空氣集熱器后被加熱的空氣所攜帶的熱能之和。本實(shí)驗(yàn)過程中采用電吹風(fēng)模擬平板型太陽(yáng)能空氣集熱器向蒸發(fā)表面吹入熱空氣。因此，有熱空氣吹掠的蒸發(fā)裝置B的蒸發(fā)效率ηeva，a可表示為：

（3）

式中：ca為空氣的比熱容，J/（kg·℃）；ma為電吹風(fēng)吹出空氣的質(zhì)量，kg；Δt為電吹風(fēng)工作前后空氣的溫度變化量，℃。

實(shí)驗(yàn)過程中，為保證蒸發(fā)裝置的性能評(píng)價(jià)涉及到的參數(shù)測(cè)量的精確度，需考慮以下問題：1）為防止其他熱源對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響，需關(guān)閉其他熱源；2）在稱重過程中，選擇精度較高的電子天平進(jìn)行測(cè)量（精度為0.001 g）；3）實(shí)驗(yàn)過程中需對(duì)熱電偶進(jìn)行固定，避免因其松動(dòng)而導(dǎo)致溫度測(cè)量不準(zhǔn)確；4）選擇帶有標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜（AM1.5G）的人工太陽(yáng)光模擬器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2" GO/PI/PTFE復(fù)合薄膜的制備

作為一種新型碳納米材料，氧化石墨烯具有較大的比表面積，是一種性能良好的吸光材料[6-8]。熱空氣吹掠型太陽(yáng)能界面蒸發(fā)裝置采用了GO/PI/PTFE復(fù)合薄膜，該復(fù)合薄膜制備過程中采用的主要試劑包括聚四氟乙烯（PTFE）膜、聚酰亞胺粉末等，具體規(guī)格和生產(chǎn)廠家如表1所示。

GO/PI/PTFE復(fù)合薄膜的制備流程如圖3所示，具體如下：

1）制備氧化石墨烯/N，N-二甲基甲酰胺（GO/DMF） 的分散液。首先稱取質(zhì)量為0.4 g 的氧化石墨烯粉末分別放入5 個(gè)燒杯中，在燒杯中加入N，N- 二甲基甲酰胺（DMF），利用超聲波混合數(shù)小時(shí)，制備出不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的GO/DMF 分散液。

2）將得到的GO/DMF分散液一邊攪拌一邊緩慢加入聚酰亞胺粉末，在常溫下進(jìn)行攪拌，得到GO/PI/DMF分散液，將該分散液靜置到完全除去氣泡，保存?zhèn)溆谩?/p>

3）對(duì)獲得的無氣泡的GO/PI/DMF分散液加水進(jìn)行稀釋，等到溶液完全脫氣后，以PTFE膜的粗糙面作為基底，然后用真空抽濾裝置對(duì)GO/PI/DMF分散液進(jìn)行抽濾，使分散液的固體成分附著在PTFE膜上，得到處于較為濕潤(rùn)狀態(tài)的GO/PI/PTFE復(fù)合薄膜。

4）將處于較為濕潤(rùn)狀態(tài)的GO/PI/PTFE復(fù)合薄膜在干燥箱內(nèi)60 ℃下干燥1 h，即可得到蒸發(fā)性能實(shí)驗(yàn)用GO/PI/PTFE復(fù)合薄膜。

需要說明的是，制備實(shí)驗(yàn)中使用的氧化石墨烯粉末是通過改進(jìn)Hummer法冷凍干燥后得到的97%高純氧化石墨烯粉末，因此制備得到的GO/PI/PTFE復(fù)合薄膜具有更強(qiáng)的光吸收能力，且親水性能更佳。

圖3" GO/PI/PTFE復(fù)合薄膜的制備流程圖

Fig. 3" Chart of preparation process of GO/PI/PTFE composite films

3" 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

開展太陽(yáng)能界面蒸發(fā)裝置性能實(shí)驗(yàn)，對(duì)無熱空氣吹掠的蒸發(fā)裝置A、有熱空氣吹掠的蒸發(fā)裝置B和純水蒸發(fā)裝置這3個(gè)蒸發(fā)裝置的蒸發(fā)速率、蒸發(fā)表面溫度等參數(shù)進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為180 min，實(shí)驗(yàn)過程中環(huán)境空氣的相對(duì)濕度在40%～45%之間，環(huán)境溫度在20～25 ℃之間，太陽(yáng)輻照度為1000 W/m2。3個(gè)蒸發(fā)裝置中：純水蒸發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)中無復(fù)合膜、保溫層和無塵紙，實(shí)驗(yàn)初始狀態(tài)下其水面與蒸發(fā)裝置A、B的蒸發(fā)表面位置相同。蒸發(fā)裝置B采用電吹風(fēng)模擬平板型太陽(yáng)能空氣集熱器向蒸發(fā)表面吹入熱空氣，電吹風(fēng)的功率為1200 W，測(cè)量得到其空氣速度為4 m/s，熱空氣溫度為65 ℃，風(fēng)口通風(fēng)孔孔徑為0.05 m。

實(shí)驗(yàn)過程中3個(gè)蒸發(fā)裝置各參數(shù)隨時(shí)間的變化情況如圖4所示。

從圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：

a. 蒸發(fā)表面溫度

b. 水的累計(jì)質(zhì)量變化量

c. 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到1800 s時(shí)3個(gè)蒸發(fā)裝置的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率

圖4" 實(shí)驗(yàn)過程中3個(gè)蒸發(fā)裝置各參數(shù)隨時(shí)間的變化情況

Fig." 4 Changes of various parameters over time of three

evaporation devices during experimental process

1）在1000 W/m2的太陽(yáng)輻照度下，蒸發(fā)裝置A、蒸發(fā)裝置B的蒸發(fā)表面溫度均比純水蒸發(fā)裝置的水面溫度高出很多；3個(gè)蒸發(fā)裝置表面溫度上升的趨勢(shì)大致相同，均為剛開始時(shí)增長(zhǎng)速度較快，隨后增速逐漸減小，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)純水蒸發(fā)裝置、蒸發(fā)裝置A、蒸發(fā)裝置B的表面溫度分別為32.0、51.5和72.1 ℃。根據(jù)曲線走勢(shì)預(yù)測(cè)，隨著時(shí)間推移，3個(gè)蒸發(fā)裝置表面溫度將會(huì)出現(xiàn)更大的差異。

2） 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到1800 s時(shí)，蒸發(fā)裝置A的水的累計(jì)質(zhì)量變化量為-2.44 kg/m2（因?qū)嶒?yàn)采用燒杯，有口徑限制，因此水的累計(jì)質(zhì)量變化量均轉(zhuǎn)換為kg/m2表示），即水的累計(jì)蒸發(fā)量為2.44 kg/m2；蒸發(fā)裝置B的水的累計(jì)質(zhì)量變化量為-3.67 kg/m2，即水的累計(jì)蒸發(fā)量為3.67 kg/m2，該值高于純水蒸發(fā)裝置和蒸發(fā)裝置A的值。

3） 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到1800 s時(shí)，由于采用GO/PI/PTFE復(fù)合薄膜，蒸發(fā)裝置A的蒸發(fā)速率為1.22 kg/（m2·h），比純水蒸發(fā)裝置的蒸發(fā)速率提高了3.2倍；蒸發(fā)裝置A的蒸發(fā)效率為80.5%，比純水蒸發(fā)裝置的蒸發(fā)效率提高了59.5%。

4） 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到1800 s時(shí)，由于有熱空氣吹掠，蒸發(fā)裝置B的蒸發(fā)速率比純水蒸發(fā)裝置的蒸發(fā)速率提高了5.5倍，比蒸發(fā)裝置A的蒸發(fā)速率提高了0.5倍；蒸發(fā)裝置B的蒸發(fā)效率為88.0%，高于純水蒸發(fā)裝置和蒸發(fā)裝置A的蒸發(fā)效率，比純水蒸發(fā)裝置的蒸發(fā)效率提高了68.0%。

由此可見，熱空氣吹掠蒸發(fā)表面可以加速界面蒸發(fā)，提高蒸發(fā)量，進(jìn)而提高蒸發(fā)裝置的蒸發(fā)效率。

對(duì)蒸發(fā)裝置B的蒸發(fā)性能進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為30 min，向蒸發(fā)表面吹入速度為4 m/s、溫度為45 ℃的熱空氣，測(cè)試太陽(yáng)輻照度由600 W/m2上升至1000 W/m2時(shí)蒸發(fā)裝置B的蒸發(fā)表面溫度變化和水的累計(jì)質(zhì)量變化量，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

a. 蒸發(fā)表面溫度

b. 水的累計(jì)質(zhì)量變化量

圖5" 不同太陽(yáng)輻照度下蒸發(fā)裝置B的蒸發(fā)表面溫度變化及水的累計(jì)質(zhì)量變化量

Fig. 5" Changes in evaporation surface temperature and cumulative change in water quality of evaporation device B

under different solar irradiance

從圖5可以看出：

1）隨著太陽(yáng)輻照度的增加，蒸發(fā)裝置B的蒸發(fā)表面溫度先迅速升高，然后趨于平緩，表明該太陽(yáng)能界面蒸發(fā)裝置達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在穩(wěn)定狀態(tài)下，太陽(yáng)輻照度為600 W/m2時(shí)蒸發(fā)表面溫度為33.4 ℃；隨著太陽(yáng)輻照度增加至1000 W/m2時(shí)，蒸發(fā)裝置B的蒸發(fā)表面溫度最高可以達(dá)到47.8 ℃。此時(shí)蒸發(fā)裝置B在接近50 ℃的溫度下驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)表面的海水迅速蒸發(fā)，蒸汽不斷從表面逸出。

2）水的累計(jì)質(zhì)量變化量與太陽(yáng)輻照度呈線性相關(guān)，即太陽(yáng)輻照度越大，蒸發(fā)表面溫度持續(xù)上升，蒸發(fā)速率不斷增加，單位時(shí)間產(chǎn)生的蒸汽越多，水的累計(jì)質(zhì)量變化量就越大。當(dāng)太陽(yáng)輻照度為600 W/m2時(shí)，30 min后水的累計(jì)質(zhì)量變化量?jī)H為-0.57 kg/m2；當(dāng)太陽(yáng)輻照度上升至800 W/m2時(shí)，30 min后水的累計(jì)質(zhì)量變化量為-0.60 kg/m2；當(dāng)太陽(yáng)輻照度上升至1000 W/m2時(shí)，30 min后水的累計(jì)質(zhì)量變化量為-0.63 kg/m2。雖然在蒸發(fā)時(shí)間較短時(shí)，3種太陽(yáng)輻照度條件所產(chǎn)生的水的累計(jì)質(zhì)量變化量的差異并不大，但隨著實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行，三者之間會(huì)逐漸顯示出較大的差異。

根據(jù)圖4、圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以總結(jié)出：針對(duì)蒸發(fā)裝置B，相同熱空氣條件下，不同太陽(yáng)輻照度時(shí)所產(chǎn)生的水的累計(jì)質(zhì)量變化量的差異不大，相比太陽(yáng)輻照度升高引起的水蒸發(fā)量加大，由熱空氣與水之間的熱交換引起的強(qiáng)制對(duì)流換熱對(duì)水的累計(jì)質(zhì)量變化量的影響更為顯著，即采用熱空氣吹掠比提高太陽(yáng)輻照度更有利于提高蒸發(fā)裝置的蒸發(fā)效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了熱空氣吹掠蒸發(fā)表面可以提高蒸發(fā)量，進(jìn)而提高蒸發(fā)裝置的蒸發(fā)效率。

4" 結(jié)論

為提高太陽(yáng)能界面蒸發(fā)的蒸發(fā)效率，本文從改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和光熱材料兩個(gè)方面出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種熱空氣吹掠型太陽(yáng)能界面蒸發(fā)裝置。該蒸發(fā)裝置利用平板型太陽(yáng)能空氣集熱器產(chǎn)生的高溫空氣吹過蒸發(fā)表面，加速界面蒸發(fā)；同時(shí)制備了GO/PI/PTFE復(fù)合薄膜作為光熱材料。最后通過實(shí)驗(yàn)對(duì)該蒸發(fā)裝置的性能進(jìn)行了分析驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

1）通過光熱材料創(chuàng)新提高了蒸發(fā)裝置的蒸發(fā)效率。使用改進(jìn)Hummer法冷凍干燥后得到的97%高純氧化石墨烯粉末，制備得到的GO/PI/PTFE復(fù)合薄膜具有更強(qiáng)的光吸收能力，且親水性能更佳。在向蒸發(fā)表面吹入速度為4 m/s、溫度為65 ℃的熱空氣，太陽(yáng)輻照度為1000 W/m2的條件下，采用GO/PI/PTFE復(fù)合薄膜但無熱風(fēng)吹掠的蒸發(fā)裝置在1800 s時(shí)水的累計(jì)質(zhì)量變化量為-2.44 kg/m2，對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)速率為1.22 kg/（m2·h），與純水蒸發(fā)裝置相比，蒸發(fā)速率提高了3.2倍，蒸發(fā)效率提高了59.5%。

2）通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新提高蒸發(fā)裝置的蒸發(fā)效率。熱空氣吹掠型太陽(yáng)能界面蒸發(fā)裝置在1800 s時(shí)水的累計(jì)質(zhì)量變化量為-3.67 kg/m2，蒸發(fā)效率為88.0%，高于純水和無熱空氣吹掠的蒸發(fā)裝置；與純水蒸發(fā)裝置相比，熱空氣吹掠型太陽(yáng)能界面蒸發(fā)裝置的蒸發(fā)速率提高了5.5倍，蒸發(fā)效率提高了68.0%。熱空氣吹掠可以提高蒸發(fā)量，進(jìn)而提高蒸發(fā)裝置的蒸發(fā)效率。

本文研究結(jié)果可為后續(xù)提高熱空氣吹掠型太陽(yáng)能界面蒸發(fā)裝置蒸發(fā)效率的研究提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

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EXPERIMENTAL STUDY ON EVAPORATION EFFICIENCY OF

HOT AIR BLOWING TYPE SOLAR INTERFACE USING

GO/PI/PTFE COMPOSITE FILMS

Liu Jinghua1，Gao Hong1，2，Yan Suying1，2，Nie Jing1

（1. College of Energy and Power Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China；

2. Key Laboratory of Wind Energy and Solar Energy Utilization Technology of Ministry of Education，Hohhot 010051，China）

Abstract：In order to improve the evaporation efficiency of solar interface evaporation，this paper designs a hot air blowing solar interface evaporation device from two aspects：changing the structural design and photothermal materials. The evaporation device utilizes high-temperature air generated by a flat panel solar air collector to blow over the evaporation surface and accelerate interfacial evaporation. Meanwhile，utilizing the performance advantages of graphene oxide，a composite film of GO/PI/PTFE is prepared as a photothermal material to improve evaporation efficiency of device. Finally，the performance of the evaporation device is analyzed and verified through experiments. The research results show that the prepared GO/PI/PTFE composite film has stronger light absorption ability and better hydrophilicity. Under the conditions of blowing hot air with a speed of 4 m/s and a temperature of 65 ℃ into the evaporation surface，and a solar irradiance of 1000 W/m2，at 1800 s，the evaporation rate corresponding to the evaporation device with GO/PI/PTFE composite film but without hot air blowing is 1.22 kg/（m2·h）. Compared with the pure water evaporation device，the evaporation rate is increased by 3.2 times and the evaporation efficiency is improved by 59.5%. The evaporation efficiency of the hot air blowing solar interface evaporation device is 88%，which is higher than that of pure water evaporation devices and non hot air blowing evaporation devices. Compared with pure water evaporation devices，the evaporation rate is increased by 5.5 times and the evaporation efficiency is improved by 68.0%. Hot air blowing can increase the evaporation capacity，thereby improving the evaporation efficiency of the evaporation device. The research results can provide theoretical and experimental basis for further research on improving the evaporation efficiency of hot air blowing solar interface evaporation devices.

Keywords：solar evaporation device；interface evaporation；evaporation efficiency；graphene oxide；photothermal materials；hot air blowing；heat transfer enhancement