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| FIE Research：氦气隙扩散蒸馏逆电渗析热机——能量转换效率分析 |
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论文标题：Reverse electrodialysis heat engine with helium-gap diffusion distillation: Energy efficiency analysis
期刊：Frontiers in Energy
作者：Junyong Hu, Yukun Sun, Yali Hu, Haiyu Liu, Jiajie Zhang, Suxia Ma, Jiaxin Huang, Xueyi Tan, Ling Zhao
发表时间：01 Apr 2024
DOI：10.1007/s11708-024-0947-3
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文章简介
能源短缺已成为制约人类社会发展的重要因素，有效利用LGH可缓解能源短缺并减少二氧化碳排放。然而，目前有大量低于100℃的低品位热（LGH）无法被有效利用。为解决该问题，逆电渗析热机（REDHE）作为一种能够有效将LGH转换为电能的技术展现出巨大潜力。
本文提出了一种新型REDHE，它采用氦间隙扩散蒸馏（HGDD）作为热分离（TS）装置。HGDD装置高度紧凑且高效。采用经过验证的数学模型来分析各种操作和结构参数对REDHE性能的影响。结果表明，保持适中的冷流质量摩尔浓度、提高冷热流入口温度、增加氦气隙高度以及减小氦气隙厚度均有助于提高REDHE性能。特别是，当氦间隙厚度减小至3 mm、氦气隙高度增加至5 m时，REDHE实现了2.96%的最大能量转换效率。
研究背景及意义
能源短缺和温室效应带来的挑战需要重新评估当前的能源利用模式，以寻求有效的解决方案。其中一个值得关注的领域是大量低于100℃的低品位热（LGH）（占全球余热总量的63%，占中国余热总量的66%）。由于其相对较低的能量密度常被忽视，然而，若能有效利用该部分LGH，不仅可提高能源利用效率，还能减少CO2排放。逆电渗析热机（REDHE）是一种具有潜力且逐渐受到关注的技术，可有效利用LGH并将其转换为电能。REDHE的工作原理涉及两个关键部分：热分离（TS）单元和逆电渗析（RED）单元，如图1所示。首先，LGH驱动微咸溶液在TS单元中分离成高浓度（HC）溶液和低浓度（LC）溶液。随后，两种不同浓度的溶液被泵入RED装置中产生电能。
图1REDHE示意图
主要研究内容
本文对使用NaCl水溶液作为HGDD-MSRED热机工作溶液的性能进行了全面分析。首先，为深入了解其工作原理及性能，建立了HGDD-MSRED系统的理论模型，并通过与实验数据对比验证该模型的准确性，如图2所示。然后，对该热机的能量转换特性进行研究分析，探究提升该热机能量转换性能的有效方法。通过研究改变操作参数和设计参数对其效率的影响。这些参数包括冷流的质量摩尔浓度、热流和冷流的入口温度以及HGDD的结构参数，旨在揭示REDHE的能量转换潜力，并为提高其性能提供有价值的指导。
图2HGDD和串联控制MSRED的模型验证
其中，减小氦间隙厚度能够增强HGDD热质传递，从而减少总消耗热量。增加氦气隙高度能够使HGDD冷、热流道的换热更加充分，从而也减少总消耗热量，如图3所示。因此减小氦间隙厚度或增加氦气隙高度有利于提高热机的能量转换效率。
图3氦间隙厚度δc和流道长度L的影响
此外，与采用氯化锂、醋酸钾和溴化锂等高性能盐的REDHE相比，HGDD-MSRED热机性能仍然存在提升空间。因此，REDHE的发展不应局限于传统的工作溶液如NaCl水溶液和NH4HCO3水溶液。另一方面，采用高性能离子交换膜对于提高REDHE的性能也很重要。
研究结论
本文设计并提出了一种新型的HGDD-MSRED热机，并采用经过验证的数学模型，对比分析了操作参数及设计参数对热机性能的具体影响。结论如下：
（1）合适的进料溶液质量摩尔浓度可以使HGDD-MSRED热机的能量转换效率达到最大。在给定的工况下，当进料质量摩尔质量浓度为2 mol/kg时，HGDD-MSRED热机能量转换效率达到峰值1.68%。
（2）提高热流入口温度能够增大分离得到的浓、稀溶液间盐差能，而增大冷流入口温度能够减小系统消耗的总热量。因此，提高热流入口温度或者冷流入口温度均能够提高热机的能量转换效率。当热流入口温度为95℃和冷流入口温度为35℃时，热机能量转换效率达到最大值2.64%。
（3）HGDD的结构参数也会对热机的性能产生明显的影响。减小氦气隙厚度能够增强HGDD的传质传热，从而使得HGDD消耗的热量更少。增大流道长度能够使得HGDD冷、热流道间的换热更加充分，从而也减少HGDD消耗的总热量。因此，减小氦气隙的厚度或者增大热流道高度均能提高热机能量转换效率。当氦气隙厚度为3 mm和流道长度为5 m时，热机能量转换效率达到最大值2.96%。
原文信息
Reverse electrodialysis heat engine with helium-gap diffusion distillation: Energy efficiency analysis
Junyong Hu1,2, Yukun Sun1, Yali Hu1, Haiyu Liu1,2, Jiajie Zhang1,2, Suxia Ma1,2, Jiaxin Huang1, Xueyi Tan1, Ling Zhao1
Author information：
1. College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China
2. Key Laboratory of Cleaner Intelligent Control on Coal & Electricity (Ministry of Education), Taiyuan 030024, China
Abstract：
The depletion of energy resources poses a significant threat to the development of human society. Specifically, a considerable amount of low-grade heat (LGH), typically below 100 °C, is currently being wasted. However, efficient utilization of this LGH can relieve energy shortages and reduce carbon dioxide emissions. To address this challenge, reverse electrodialysis heat engine (REDHE) which can efficiently convert LGH into electricity has emerged as a promising technology in recent years. Extensive efforts have been dedicated to exploring more suitable thermal distillation technologies for enhancing the performance of REDHE. This paper introduces a novel REDHE that incorporates helium-gap diffusion distillation (HGDD) as the thermal separation (TS) unit. The HGDD device is highly compact and efficient, operating at a normal atmospheric pressure, which aligns with the operational conditions of the reverse electrodialysis (RED) unit. A validated mathematical model is employed to analyze the impacts of various operating and structural parameters on the REDHE performance. The results indicate that maintaining a moderate molality of the cold stream, elevating the inlet temperatures of hot and cold streams, lengthening hot- and cold-stream channels, and minimizing the thickness of helium gaps contribute to improving the REDHE performance. Especially, a maximum energy conversion efficiency of 2.96% is achieved by the REDHE when decreasing the thickness of helium gaps to 3 mm and increasing the length of stream channels to 5 m.
Keywords：
helium-gap diffusion distillation (HGDD), reverse electrodialysis (RED), heat engine, low-grade heat (LGH)
Cite this article
Junyong Hu, Yukun Sun, Yali Hu, Haiyu Liu, Jiajie Zhang, Suxia Ma, Jiaxin Huang, Xueyi Tan, Ling Zhao. Reverse electrodialysis heat engine with helium-gap diffusion distillation: Energy efficiency analysis. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-024-0947-3
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