自然和工业活中持续出产丰富的低品位热能,因此,发展低品位热能的高效利用途径具有重要意义。近年研究表明,利用毛细蒸发或热渗透这两种压升跨膜相变过程,可同时实现低品位热能向液压能的转换和盐水的蒸馏淡化。本文针对研究中存在的功率密度低、传热和流动损失大、回热难等问题,提出了三种产功系统和功-水联产系统,并通过理论、模拟及实验研究了这些系统的性能和规律。首先,在基于亲水性纳米孔膜的负压毛细蒸发方面,提出了一种毛细蒸发功-水联产技术,并基于孔径约2.46 nm的碳纳米管膜构建了一个分子动力学模型。模拟表明,在加热温度为400 K,工作压力为400 bar的情况下,得到了约3.6 g/（cm~2·s）的淡化通量、约170 W/cm~2的功率密度和约1.95%的热功效率,从而初步揭示了该技术的发展潜力。然后,基于一种孔径约100 nm的尼龙滤膜搭建了一个毛细蒸发热功转换实验系统。实验表明,外界不凝性气体可沿纳米孔膜的局部缺陷渗入系统,这导致了工作压力和质流密度的降低,影响了系统的功率输出和稳定性。在加热温度为85℃,工作压力为0.10 bar的情况下,得到了约77 m W/m~2的功率密度和约1.6×10-6的热功效率。此外,在基于疏水性纳米孔膜的正压热渗透方面,提出了一种流动损失小、易回热的自泵堆叠式热渗透能量转换系统,并基于一种小孔层孔径约100 nm的复合孔膜验证了该技术的可行性。实验发现,总热功效率随总级数的增加而近似线性上升,且不凝性气体在蒸发腔内的积累会影响系统稳定性。在加热温度为80℃,工作压力为1.0 bar的情况下,五级系统得到了约0.8 W/m~2的总功率密度和约4.0×10-5的总热功效率。进一步地,建立了描述堆叠式热渗透能量转换技术的理论模型,证明了降低空气分压、优化膜层结构、优化厚度参数等手段是其性能的提升途径。计算表明,若使用小孔层孔径为20 nm的复合膜,在加热温度为80℃,工作压力为50 bar的情况下,一个经优化的系统可在32级的总级数下获得约3.79%的总热功效率和约43.4W/m~2的总功率密度。最后,提出了一种流动损失小、产水品质高的堆叠式热渗透功-水联产系统。实验表明,淡水产率和加热功率均负相关于工作压力,这应与跨膜相变阻力变大和反向跨膜泄漏增强等因素有关。在加热温度为80℃,工作压力为1.5 bar的条件下,一平米流通面积的渗透器堆每天可同时生产约188 L高品质淡水和约27.8 k J的功。总之,论文针对毛细蒸发和热渗透这两种压升跨膜相变过程,通过理论、模拟及实验展现了其在低品位热能转换和水淡化方面的发展潜力,特别是通过回热系统的构建进一步完善了其发展框架。