基于膜蒸馏与反电渗析的低温余热利用的新型热力系统研究

Low-temperature waste heat utilization and recovery contributes to energy saving and environmental protection, thus to realize the green sustainable development. However, for waste heat below 80℃, there are no practical technologies with satisfied efficiency to convert the low-temperature waste heat into electricity. The reverse electrodialysis (RED) power generation system provides an alternative way for extracting energy from salt solutions with different concentrations, and the low temperature membrane distillation (MD) technology provides a large-scale application for the production of the demanded solutions with different concentrations. By combining the above two technologies, a new and efficient electricity generation system that operates as a heat engine can be constructed to convert low-temperature waste heat into electricity. Firstly，this project is dedicated to studying the performance of the general thermodynamic cycles based on finite time thermodynamics and non-equilibrium thermodynamics to guide the operation of the real heat engine cycle. Then numerical modelling of the direct contact MD system and RED system will be conducted and performance analysis will be investigated based on single and multi-objective optimization methods. In addition, performance optimization of the new MD-RED electricity generation system will be systematically conducted to coordinate process optimization and the overall performance. Finally, an experimental study and performance test of the proposed power generation system will be performed. Through the above research, it may provide theoretical, technical basis and experimental guidance for low-temperature waste heat utilization in remote areas.

低温余热资源利用与回收对节能环保和实现绿色可持续发展具有十分重大的意义。但目前对低于80℃的低温热能，传统的发电方式不能有效的实现热电转换。反电渗析发电系统为从不同浓度盐溶液中提取能量提供了一种良好的手段，而低温膜蒸馏技术为生产不同浓度溶液提供了一种大规模应用的可能，将两者结合起来，构成一个热机循环为低温余热利用提供了一种有效的方式。首先，本项目将基于有限时间热力学和非平衡态热力学对广义热力学循环进行研究，以此指导热机循环的运行；其次，对直接接触式膜蒸馏系统与反电渗析系统进行建模、并进行单目标和多目标优化分析；再次，对由膜蒸馏与反电渗析组成的新型的热力循环系统进行优化分析，研究过程最优与整体性能的协调；最后，对所提出的发电系统进行实验研究与性能测试。通过上述研究为在偏远地区解决低温余热资源利用问题，提供理论、技术依据和实验指导。

低温余热资源利用与回收对节能环保、可持续发展具有十分重大的意义。基于直接接触式膜蒸馏和反电渗析的热力循环系统为回收温度低于80℃的余热资源提供了一种新的途径。首先，本项目对直接接触式膜蒸馏（DCMD）系统传热传质建模及优化设计。考虑沿程跨膜水传输系数随温度变化，建立了DCMD系统一维描述模型。基于此模型，利用多目标优化算法，协调了不同指标之间的矛盾关系，获得了折中优化下的运行工况。基于三维传热、传质耦合模型，获得了传热过程和传质过程的浓度依赖性，揭示了浓度极化和温度极化对跨膜水传输的影响，实现了DCMD系统流道结构的优化设计；其次，对反电渗析（RED）系统进行了宏观建模及优化设计。考虑密度沿程变化，提出RED系统一维描述模型。基于此模型，利用单、多目标优化算法，获得不同目标条件下的系统的结构和运行参数。考虑实际RED电堆空间尺寸的约束，分析了通道间距以及流量对RED系统功率的影响，获得了不同运行条件下流道的优化设计及膜两侧流量的最佳分配；再次，研究纳米尺度RED过程中尺度离子跨膜输运及能量转换特性。基于仿生原理和构形理论，对膜孔纳米通道结构进行了优化设计，显著改善了跨膜离子输运，极大提高了系统的功率密度。研究了跨膜离子温度梯度与浓度梯度之间的协同效应，揭示了不对称温度分布对RED过程的影响。基于材料导热系数为纳米通道的几何设计和材料选择提供了指导原则。最后，改进了溶液热分离方式，构建了基于RED的热力循环系统的实时模型。对吸附脱盐—反电渗析冷电联产渗透热机进行了动态的建模与分析。研究了此热力循环系统随时间的动态响应，获得了提升系统制冷性能与发电性能的参数设计方案与控制策略。本项目的执行为解决低温余热资源利用问题，提供理论依据和技术指导。