Thermodynamic studies of osmotic flows and their application to energy conversion systems

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.author Seppälä, Ari
dc.date.accessioned 2012-02-24T08:19:27Z
dc.date.available 2012-02-24T08:19:27Z
dc.date.issued 2007-05-26
dc.identifier.isbn 978-951-22-8775-8
dc.identifier.issn 1795-4584
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/2867
dc.description.abstract The thermodynamics of osmotic flows and different ways in which they have been applied to energy conversion are studied. A transport model for a solution flow inside a hollow cylindrical osmotic fibre was derived. With this model, a thermodynamic 1st and 2nd Law osmotic energy converter optimisation was performed. The study illustrates the possibilities of the optimisation of membrane modules where the streams are conducted to flow inside narrow cavities. As a result, it is shown that many important optimal operation parameters of osmotic power generation systems can be detected. Furthermore, it is shown that the position of local minimum entropy generation rate can be found in the flow of a solution inside an osmotic hollow fibre. An alternative osmotic energy converter working cyclically is also studied. Such a system would use osmosis to increase the pressure of a solution placed in a closed vessel. After a suitable loading time, part of the pressurised solution is released into a turbine and the pressurising of the vessel starts again. The external and internal concentration boundary layers appearing in the osmotic phenomenon are analysed. This analysis includes supplements to the solution of laminar flow between one permeable and one non-permeable wall. On the basis of this analysis and on experiments, two non-linear alternatives to the traditional linear transport equations for osmotic water flow are suggested. Furthermore, the common opinion that the concentration accumulation inside the support structure (so-called internal polarisation) of an asymmetric membrane is the main reason for the non-linear behaviour frequently found in osmotic flow experiments was found to be questionable. A Second Law efficiency equation for an osmotic membrane is derived. This equation provides an estimation of acceptable solute leakage through the membrane. It is also found that for the membrane to perform in a thermodynamically efficient way, the dimensionless product of the osmotic flux and diffusion resistance of the support structure should be small, usually below unity. Otherwise, the support structure of the membrane will cause significant destruction of the available power. en
dc.description.abstract Työssä on tutkittu osmoottisten virtausten termodynamiikkaa sekä eri menetelmiä, joilla osmoosi-ilmiötä voidaan hyödyntää energianmuuntoprosesseissa. Sylinterimäisen onton kuidun sisällä virtaavalle liuokselle on johdettu aineensiirtomalli. Kuidun seinämät muodostuvat osmoosikalvosta. Mallia on käytetty termodynamiikan 1. ja 2. pääsääntöön perustuvaan osmoosivoimalan optimointiin, jonka tuloksena voidaan määrittää systeemin monen tärkeän parametrin optimaalinen arvo. Lisäksi voidaan osoittaa, että osmoosin avulla kasvavassa virtauksessa syntyy paikallinen entropian generoitumisen minimi tiettyyn kohtaan virtausta. Työssä on lisäksi esitetty ja analysoitu perusperiaate syklimäisesti toimivalle osmoottiselle energianmuuntimelle. Tällainen systeemi käyttää osmoosi-ilmiötä liuoksen paineen kasvattamiseen suljetun säiliön sisällä. Osa paineistetusta liuoksesta johdetaan turbiinin, jonka jälkeen säiliön paineistus käynnistyy uudelleen. Työssä määritettiin kalvon ulkopuolelle sekä tukikerrokseen osmoosivirtauksen yhteydessä syntyvät konsentraatiorajakerrokset. Tähän analyysiin liittyen esitetään täydennyksiä Navier-Stokes liikemääräyhtälöihin perustuvalle nopeus- ja painejakaumien ratkaisulle tapauksessa, jossa ainetta virtaa laminaarisesti kahden seinämän välissä. Toinen seinämä on ainetta läpäisevä ja toinen läpäisemätön. Mittauksiin ja rajakerrosanalyysiin pohjautuen esitetään kaksi uutta epälineaarista yhtälöä vaihtoehtona traditionaalisille lineaarisille osmoottisille kuljetusyhtälöille. Lisäksi kirjallisuudessa yleisesti esitetty mielipide rajakerrosten merkityksestä tärkeimpänä selittävänä tekijänä osmoosivirtauksen epälineaariselle käyttäytymiselle havaittiin kyseenalaiseksi, ainakin epäsymmetristen kalvojen osalta. Osmoosikalvoille johdettiin matemaattinen lauseke termodynamiikan 2. pääsäännön mukaiselle hyötysuhteelle. Yhtälön avulla voidaan arvioida kuinka suuri liuenneen aineen vuoto voidaan kalvolle sallia, jotta kalvo vielä toimisi tehokkaasti. Tutkimuksessa havaittiin lisäksi, että termodynaamisessa mielessä tehokkaan toiminnan kannalta on tärkeää, että osmoottisen vedenvirtausnopeuden ja kalvon tukikerroksen diffuusiovastuksen tulo on alhainen. Tämän dimensiottoman tulon arvon tulee yleensä saada arvoja alle 1. Muussa tapauksessa kalvon tukikerros hävittää merkittävän osan hyödynnettävissä olevasta tehosta. fi
dc.format.extent 47, [90]
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso en en
dc.publisher Helsinki University of Technology en
dc.publisher Teknillinen korkeakoulu fi
dc.relation.ispartofseries TKK dissertations en
dc.relation.ispartofseries 69 en
dc.relation.haspart Seppälä A, Lampinen MJ. 1999. Thermodynamic optimizing of pressure-retarded osmosis power generation systems. Journal of Membrane Science 161: 115-138. [article1.pdf] © 1999 Elsevier Science. By permission.
dc.relation.haspart Seppälä A, Lampinen MJ, Kotiaho W. 2001. A new concept for an osmotic energy converter. International Journal of Energy Research 25 (15): 1359-1379. [article2.pdf] © 2001 John Wiley & Sons. By permission.
dc.relation.haspart Seppälä A. 2001. Some improvements to the approximate analytical solution of the problem of laminar flow between permeable and impermeable wall. Acta Polytechnica Scandinavica, Mechanical Engineering Series 152: 1-21. [article3.pdf] © 2001 by author.
dc.relation.haspart Seppälä A, Lampinen MJ. 2004. On the non-linearity of osmotic flow. Experimental Thermal and Fluid Science 28: 283-296. [article4.pdf] © 2004 Elsevier Science. By permission.
dc.relation.haspart Seppälä A, El Haj Assad M. 2003. The effect of solute leakage on the thermodynamical performance of an osmotic membrane. Journal of Non-Equilibrium Thermodynamics 28 (3): 269-278. [article5.pdf] © 2003 Walter de Gruyter. By permission.
dc.subject.other Energy en
dc.title Thermodynamic studies of osmotic flows and their application to energy conversion systems en
dc.title Osmoosin termodynamiikka ja sen sovellutukset energian muuntoprosesseissa fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.description.version reviewed en
dc.contributor.department Department of Mechanical Engineering en
dc.contributor.department Konetekniikan osasto fi
dc.subject.keyword osmosis en
dc.subject.keyword osmotic power generation en
dc.subject.keyword mass transfer en
dc.subject.keyword entropy generation en
dc.subject.keyword fluid mechanics en
dc.subject.keyword osmoosi fi
dc.subject.keyword energian muuntaminen fi
dc.subject.keyword aineensiirto fi
dc.subject.keyword entropian generointi fi
dc.subject.keyword virtausmekaniikka fi
dc.identifier.urn urn:nbn:fi:tkk-009258
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.contributor.lab Laboratory of Applied Thermodynamics en
dc.contributor.lab Sovelletun termodynamiikan laboratorio fi


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account