开式环路热虹吸热机用于低品位余热联合发电与脱盐的热力学分析

《Energies》：Thermodynamic Analysis of an Open-Loop Thermosyphon Heat Engine for Combined Power Generation and Desalination from Low-Grade Waste Heat Wai Hong Lai, Ratan Kumar Das, Pranjal Kumar, Petros Lappas, Mladenko Kajtaz, Kiao Inthavong and Abhijit Date

　　

研究人员提出了一种由低品位余热驱动的新型开式环路热虹吸热机，可同时实现电力生产与淡水产出。工业、商业及数字基础设施中大量低品位余热(LGWH)因低温下传统热机效率有限且机械复杂度高而未得到充分利用。该系统采用热虹吸驱动循环与重力辅助冷凝液回流，取消了机械泵送，从而降低寄生损失。研究人员建立了数学模型以评估系统在低品位热源输入条件下的性能。在透平等熵效率50%、热输入5000?W的基准工况下，模型预测整体热效率为3.8%，淡水产量为143?kg/d。参数研究表明，尽管其发电量未超过优化后的有机朗肯循环(ORC)系统，但该配置减少了机械复杂度，并通过相变过程实现了淡水生产。不同于膜法脱盐，开式设计可处理高浓度盐水，包括浓卤水，从而实现高回收率运行。这表明该系统在低品位余热回收中具有潜在应用价值，尤其适用于简化操作、耐高盐及能源与水联产场景。

研究背景方面，全球范围内低品位余热(LGWH)资源丰富，但因温度低于100?°C时做功潜力显著下降，且泵等机械部件的寄生损耗会抵消回收收益，导致利用率极低。数据中心作为典型LGWH源，其液冷系统排热温度多在60–90?°C，且热源稳定集中，但冷却塔耗水量大且依赖淡水，加剧水资源压力。传统有机朗肯循环(ORC)虽可用于低温发电，但机械泵能耗占比高且仅产电，无法兼顾水处理需求。热虹吸技术利用相变密度差实现无泵循环，若采用盐水为工质，可在发电同时通过相变分离产出淡水，且不受渗透压限制，适合高盐废水处理。然而，此前缺乏针对无泵、开式、盐水工质的低温热机在热电联产方面的系统研究，其热力权衡与性能边界尚不明确。为此，Wai?Hong?Lai、Ratan?Kumar?Das、Pranjal?Kumar、Petros?Lappas、Mladenko?Kajtaz、Kiao?Inthavong及Abhijit?Date在《Energies》发表研究，提出一种开式环路热虹吸热机系统，旨在实现低品位余热的高效热电联产。

研究人员采用了稳态热力学建模方法，结合第一与第二定律分析，对系统进行能量、质量及盐平衡计算，并引入?分析量化不可逆性。模型设定锅炉在负压下运行，以盐水为工质，通过加热产生蒸汽推动透平发电，冷凝液重力排出，浓盐水定期排放。假设包括稳态密封、等温换热面、忽略非凝性气体、考虑5%管路热损等。参数研究通过改变透平等熵效率、废热温度、冷凝器温度等变量，评估其对发电与产水性能的影响。此外，进行了初步实验验证重力驱动冷凝液提取的可行性。

结果部分，首先在系统性能比较中，模型预测在8320?W废热输入、透平效率55%条件下，轴功421?W，热效率5.32%；相比实验ORC系统的净效率约3%（含泵耗），该热虹吸系统因无泵耗而具优势，并副产淡水238?kg/d。其次，参数研究表明透平等熵效率对发电量呈近似线性影响，但淡水产量基本不变；废热温度升高显著提升发电量，但淡水产量略降；冷凝器温度升高则大幅降低发电量与效率，并减少所需重力压头。压力损失分析显示，合理管径下摩擦阻力可忽略，重力压头足以克服冷凝液排放压差。初步实验中，系统在55?kPa绝对压力下成功实现重力驱动冷凝液连续提取，验证了无泵运行的可行性。此外，将系统用于反渗透(RO)浓盐水预处理时，提高排卤盐度上限可显著增加回收率，减少进水流量，但需更高耐腐蚀材料。

讨论与结论部分，研究人员指出该系统在低品位余热回收中虽热效率不及优化ORC，但简化了设备结构，兼具发电与产水功能，特别适用于数据中心等需同时处理热与水资源的场景。其产水比能耗接近膜蒸馏(MD)，高于多效蒸馏(MED)与多级闪蒸(MSF)，因此更适合作为RO浓盐水减量化的中间环节，配合零液体排放(ZLD)策略以降低后续处理成本。研究还表明，透平效率与冷凝器温度是核心控制因素，废热温度则决定可用?的上限。未来工作应聚焦模型完善、替代传热工质开发、原型实验验证及技术经济评估，以推动实际应用。