1598005375-fdca24712b4dd3cd0f1922045b94d243 (Преобразование энергии океана. В.А. Коробков, 1986u), страница 9

Схема установки, работающей по замкнутому циклу, приведена на рнс. 2.2. В такой системе с помощью теплых поверхностных вод, прокачнваемых насосом через теплообменннк испарптеля, превращают в пар какое-либо подходящее рабочее тело (аммнак, фреон, пропан), создают пар повышенного давления, давая ему возможность расшириться через турбину в холодильник, где пар конденсируется прп контакте с охлаждаемымн поверхностями второго теплообменннка, омываемого водой, закачиваемой из глубинных слоев океана.

На рис. 2.3 показан термодинамнческий цикл такой тепловой машины (цикл Ренкина) в координатах абсолютная температура — энтропия. Полезная работа, совершаемая паром в турбине, определяется ветвью 1 — 2, на уча- стке 2 — 3 происходит конденсация, затем насосом рабочее тело подается в пспаритель 3 — 4, где нагревается (ветвь 4 — 5) и испаряется (ветвь 5 — 1). Таким образом, подвод рабочего тела к системе тепла осуществляется на ветви 3 — 4 — 5, а отвод — на ветви 2 — 3. Дополнительную работу приходится затрачивать иа закачку конденсата в испарптель (3 — 4) и на подачу воды в нагреватель и холодильник.

Максимальный теоретический КПД такой системы определяется разностью температур воды, подаваемой в нагреватель и холодильник, как КПД эквивалентного цикла Карно «1«=(Тм— — Тсс)(тсь Для перепадов температур между поверхностными н глубинными слоями воды в пределах от 15 до 26'С он соответственно изменяется в диапазоне от 5 до 9%. Реальный КПД, как правило, существенно ниже. Это связано с конструктивными ограничениями, не позволяющими в реальной установке довести температуру паров и конденсата до температуры теплых п холодных вод соответственно (на рис. 2.3 это подчеркнуто с помощью разностей температур Ьтл = Ты — 7', и ЛТ» = Т« — Тсс).

Конкретные температуры приведены на рис. 2.2. Можно подсчитать, что прн теоретическом КПД, равном 7,3 %, на турбине получаем величину' примерно в 2 раза меньшую в 3,6 %. Причем она не учитывает еще потерь на собственные нужды станции, которые сведут КПД до величины, меньшей 2,5%.

Это, в свою очередь, означает, что для получения 1 МВт «полезной» мощности через теплообменники такой станции должно пройти не менее 40 МВт тепловой мощности. Именно поэтому ОТЗС требуют огромных расходов теплой и холодной воды, измеряемых в тысячах кубометров в секунду [44]. Для того чтобы представить себе, что же такое реальная промышленная ОТЗС, достаточно указать такие ориентировочные цифры [86]: станция мощностью 40 МВт (плавучая) должна иметь водоизмещение примерно 70 тыс.

т, диаметр трубопровода холодной воды 10 м и рабочую поверхность теплообменника около 45 тыс. м'. Соответственно, для станции с полезной мощностью 500 МВт водоизмещение будет составлять 'примерно 500 тыс. т (водоизмешенне современного супертанкера). Трубопровод должен иметь диаметр не менее 30 м, площадь теплообменника будет около 2 10' мз. Прп выборе рабочего тела исходят из его теплофпзическпх, технологических, эколошщеских свойств и стоимости. Все этн характеристики так или иначе влияют на стоимость 1 кВт установленной мощности ОТЭС.

Для обеспечения наилучших показателей приходится выбирать между более дешевым и токсичным веществом и более дорогим, но менее технологичным и менее токсичным. Речь идет об аммиаке и хладоне (фреон-22), обладающими достаточно высоким и примерно одинаковым давлением насыщенных паров (10,2 МПа и 10,7 МПа при температуре 25'С). Аммиак доступен, применяется чрезвычайно широко, его стоимость не превышает примерно 100 руб/т. Он ядовит и пожаро- 42 т«1т + 1 К1= — — ° 2« т~ — тс (2.1) где, г — теплота пар ообразован~я; с — теплоемкость жидкой фазы п и с едней температуре цикла (Т, +Тз)12, то и в этом случае аммиаку следует отдать предпочтение, Кроме того, быть продукцией ОТЭС, В дальнейшем его можно использовать в качестве либо химического сырья, либо переносчика возволяющего транспортировать его наиболее дешевым способом с помощью танкеров. В этом случае говорит ности использования ванин аммиака в качестве рабочего тела вообще ие приходится на фоне опасностей, возникающих прп перегрузке и самой транспортировке.

В отличие от аммиака хладон плохо смешивается с водой п прп попадании в него последней в системе могут возникнуть ледяные пробки, приводящие к выходу пз Все это вероятно и послужило основанием для выбора аммиака в качестве рабочего тела для основных проектов ОТЭС замкнутого цикла. Схема установки, работающей по открытому циклу Клода, пои и ис. 2.4. В качестве рабочего тела здесь использована морская вода, подаваемая в нспаритсль через д р р, бождающпй воду от растворенных в ней газов.

Предварительно из полостей испарителя и конденсатора удаляется воздух, так что давление над поверхностью жидкости определяется только давлением насьпцениых паров, которое сильно зависит от температуры. П и характерных для ОТЭС температурах этот перепад составляет примерно 1,6 кПа (при замкнутом цикле на аммиаке 500 кПа!), под действием этого перепада пары воды приоколо водят в движение турбину, попадают в конденсатор, гд р рщаются в жидкость.

Основное отличие цикла как раз и состоит 43 астворяется в воде в любых пропорциях и его легко опасен, но р обнаружить б в случае утечки. Стоимость хладоиа по т р не имеет ше„но он малоядовцт и не воспламеняется. Хладон не запаха и чрезвычайно текуч, что позволяет ему ул ту ет ем лет чиваться из сосудов при наличии м микротрещин. Слабая токсичность хладона не означает, что он он экологически безвреден. Специалисты по охране сред ы как раз бьют тревогу пз-за чрезмерного прпменет к оме хладафреонов (хлорфтормстаны ) в технике п в быту ( р ния фр он фреоны служат растворителями и основой д.

р ля азличиых тентов фр й паковке). Попадая распыляющихся средств в аэрозольной упа в стратосферу и ра, ф у и разлагаясь под действием ультрафиолетового аю ие оль оии выделяют свободные галогены, играющие р . излучения, ии е е ь, становится катал г т иза оров разрушения озона. Это, в свою оч р дь, и ии на пове хности причиной усиления ультрафиолетовой радиации р Земли, что опасно для животных и растений. Интересно, что если оценивать свойства рабочих тел для ОТЭС замкнутого цикла с помощью критерия Клаузиуса с уточ- нением А. К. Ильина [21] х ы Х о" о на х ьн Х о о,х о о ы Х о х и о о о х о о х 1 о 5 о юо о о 'о х ст 3 Ы о о о и о*.

о и о н о. $" о о Йй ха о 'о о х ах еа ат а ы О ХХ и « аа о о й х ! а о о нх , Ю Х х о Х о Х Х о 'а ох о о о о- *' ь. н о „Х хс ы о хо о х о а е а д кй о„,о о" $ ( ао. о "о ао н Хо ! а о о о оао о х оеы х ."~о ~ "ой ха в малости перепада давлений, что требует использования соответ» ствующих гигантских турбин диаметром в несколько десятков метров. Это, пожалуй, основной технический недостаток систем открытого цикла.

Основное же их достоинство — отсутствие гигантских нетехнологичных теплообменников. Кроме того, при работе систем открытого цикла могут быть получены большие количества пресной воды, что немаловажно в жарком поясе планеты. Схема Клода в дальнейшем была усовершенствована; на ее базе появилось несколько вариантов. Наиболее интересны те из нпх, в которых происходит испарение с открытой водной поверхности прн использовании обычной гидротурбины, В этом случае есть надежды значительно сократить размеры будущих станций и использовать уже существующие конструкции низконапорных гидротурбин, стоимость которых значительно ниже стоимости парогазовых низконапорных гидротурбин.

На рнс. 2.5 приведена обобщенная схема, описывающая работу по крайней мере трех устройств, предложенных в 1975— 1976 гг. Е. Веком, К. Зенером и Дж. Фетковичсм. В основе способа преобразования энергии — подобие существующего в природе круговорота воды под действием солнечной радиации. Подъем воды на требуемый уровень осуществляется путем либо создания в столбе кавитационных пузырьков, либо вспениванпем (эффекты аналогичные подъему жидкости с помощью эрлифта), либо созданием разрежения над ее поверхностью за счет образования тумана. Гпдротурбина при этом может быть установлена н как показано на рис.

2.5, и непосредственно в трубопроводе теплой воды, забнраемой с поверхности. Более конкретная реализация описанного принципа с использованием парожндкостного тумана, образующегося над поверхностью теплой воды в том случае, когда конденсатор размещен значительно выше, поясняется рнс.

2.6 (С. Риджуэй и А, Шомет, Калифорнийский университет). Парожидкостная смесь, с удельным объемом от 200 до 3000 сма/г, содержащая капельки воды размером около 200 мкм, поднимаясь в поле отрицательного градиента температур, выполняет работу по прокачиванию теплой поверхностной воды через турбину. Общая проблема при реализации подобных устройств в промышленных масштабах (лабораторные образцы уже осуществлены) — возможная нестабильность тумана, пены, кавптационных пузырьков (44).

К этому же классу систем относится преобразователь Фетковпча '":, схема которого поясняется рис. 2.7. Это система периодического действия, основанная на поочередном подключении внутренней полости рабочей камеры к блокам испарения теплой и холодной воды, в результате чего в первой создается разрежение, под дейстнием которого и засасывается забортная вода. После подъема на максимальный уровень вода сбрасывается через турбину, Гидравлическая энергия, получаемая за один цикл, равна 44 * Патент США № 4083189, 1978 г.

соответственно мощность — Р= Яу/г, где ! период ци а. Для характерной разности давлений 2,3.!О' Па (температуры нагревателя и холодильника 25 и 5'С) разность высот столбов жидкости 'г— ! ! ! Рнс. 2.6. Вариант схемы наровснд- костного устройства т — теплая вода; у — паромидностиан смась (туманй 3 — холодная вода Рнс. 2.?. Преобразователь Фетковича. У вЂ” гидравлическая турбина, У вЂ” клапан турбины; 3, и — клапаны нспариталсй таплой и холодной воды; 3 — рабочая камера; б — обратный клапан рабо ~ей камеры составляет всего 0,23 м, и чтобы получить мощность порядка 1 МВт при 1=10 с необходим диаметр рабочей камеры около 200 м (точпес 2!1 м), Правда, автор считает возможным существенно улучшить показатели системы за счет использования (создания) резонансных условий колебания давлений и столба жидкости в рабочей камере.

В этом случае, по его расчетам, для получения суммарной механической мощности в 90 МВт при периоде колебаний 20 с будет достаточным соорудить рабочую камеру диаметром 100 м. Вне зависимости от выбора типа термодинамического цикла при разработке преобразователей тепловой энергии океана требуется создавать достаточно материалоемкие конструкции, протяженные трубопроводы для забора холодной воды, приходится решать задачи как предохранения от воздействия среды (силовое при штормах, коррозия, обрастание), так и предохранения среды от воздействия реагентов или продукции, вырабатываемой такими устройствами. Поиск оптимальных конструкций и сочетания принципов, обеспечивающих максимальную эффективность таких преобразователей, продолжается.

потенциальной энергии объема жидкости, поднятой таким насосом с высоты Ь, до высоты йй. (й й)я кутя ио™ 2 4 (2.2) В 2.3. Выбор оптимапьного типа преобразоаатепя Рассматривая любую нз вышеприведенных схем, можно убедиться в том, что отдать предпочтение той или иной системе, базируясь на знании лишь ее термического КПД, определяемого как КПД эквивалентного цикла Карно, невозможно Это только одна сторона вопроса. Другая — наличие в реальных системах потерь, о которых уже упоминалось,— потерь, связанных с собственными нуждами станции, гпдродинамических потерь в трактах теплообменных аппаратов, тепловых и других потерь.