Преобразование тeпловой энергии океана. Схема преобразование тепловой энергии океана. Кожухотрубный теплообменник в разрезе

Поэтому трубы теплообменника должны быть сделаны из металла, хорошо проводящего тепло, их должно быть достаточно много, чтобы они могли обеспечить необходимую площадь рабочей поверхности. Другой способ улучшения теплопередачи – увеличение поверхности за счет оребрения труб, применения пористых покрытии, турбулизаторов внутри труб. При таком усложнении конструкций не удивительно; что теплообменники оказываются наиболее дорогостоящей частью ОТЭС. Стоимость увеличивается еще и потому, что материал труб должен противостоять коррозии и в морской воде, и в среде рабочего тела, и все соединения должны быть гарантированно герметичными.

Полное термическое сопротивление можно выразить через удельное термическое сопротивление r_ωf и общую площадь стенок А_ωf

                                        .                                               (4.8)

Наибольший объем исследований, проводимых, по проблеме ОТЭС, связан как раз с разработкой теплообменников. Их цель - снизить r_ωf за счет этого уменьшить площадь А_ωf. Снижение расхода металла на изготовление крупных теплообменников несомненно приведет к существенному снижению общей стоимости. Наиболее совершенные технологии уже сейчас позволяют получать r=3·10⁴ м²·К/Вт [h=1/r=3000 Вт/(м²·К)].

Необходимый расход воды через теплообменник определяется отбираемой от нее мощностью, теплопередачей и абсолютными значениями температур. Это видно из рис. 4.6, где показан баланс тепловых потоков через теплообменник работающей установки. B каждой точке теплообменника разность температур между рабочим телом и водой равна 4°С. Таким образом, наибольшая температура рабочего тела оказывается равной , а наименьшая. Поэтому мощность, отдаваемая горячей водой, равна

                                                (4.9)

при падении температуры

.                                               (4.10)

Характеристики теплообменника. Определить основные парамeтры кожухотрубного теплообменника ОТЭС с выходной мощностью 1 МВт в предположении о том, что реализуется цикл Карно при условии снижения температуры рабочего тела из-за несовершенства теплообменника. Исходные параметры см. на рис. 4.7 (r_ωf =3·10^-4 м²·К/Вт,  ΔТ=20° C, δТ=4° C и т. д.)

Рис. 4.6. Энергетичecкие потоки в преобразователе ОТЭС

1)  Площадь поверхности. Из (4.8) .

Из (4.7)

таким образом

Это очень большая величина.

2) Pасхoд воды

,

.

Поэтому на основании (4.9) и (4.10) расход воды равен

Q=25 МВт/ [10³ кг/м³·4,2·10³ Дж/ (К·кг)·12 K] =0,5 м³/с.

3) Термическое сопротивление пограничных слоев. Предположим, что каждый погранслой (рис. 4.5) дает примерно половину r_ωf. Точнее, допустим, что удельное термическое сопротивление погранслоя (воды) на внутренней стенке трубы равно r_v=1,5×X l0^-4 м² ·K/Вт. Положим также, что d - диаметр отдельных трубок теплообменника. Конвективная теплопередача к внутренней поверхности гладкой трубы описывается следующим выражением:

Nu=0,27 Re^0,8Pe^0,33.

По определению число Нуссельта есть не что иное, как Nu=d/(r_vk), т. e. число Рейнольдса для каждой трубки оказывается равным

Re = [d/(0,27r_vk Рг^0'33)]^1,25 = [0,27·0,6 Вт/(м·К)·(7)^0,33)^-1,25 ×(d/r_v)^{1.2 5}=ad^1.25, где a=4,67·10⁶ м^-1.25.

4) Диаметр трубок и их число. B качестве первого приближения примем d=0,02 м, тогда Rе=3,5·10⁴. B этом случае скорость потока в каждой трубке

u=Re v/d=3,5·10⁴  (1,0.10^-6 м²/c)/(0,02 м) =1,7 м/c.

Следовательно, объемный расход через n трубок равен Q =пиπd²/4, а число трубок

п=4(0,5 м^з/c)/ [(1,7 м/с)3,14·(0,01 м)²] =3600.

5) Длина трубок. Из выражения для необходимой площади теплопередачи A=пπdl=l,9·10³ м² /π 3600×0,02 м=З2 м.

Этот пример показывает, что даже для сравнительно небольшой ОТЭС необходим внушительных размеров теплообменник соответствующей стоимости. конечно, в этом примере дана заниженная оценка размеров: использованные соотношения не позволяют учесть несовершенство тепловой машины, приводящее к тому, что для создания требуемой выходной мощности необходимый объемный расход увеличивается. Кроме того, в примере предполагается, что трубки имеют чистые гладкие стенки.

Биообрастания. Внутренние поверхности трубок теплообменников уязвимы для оседания морских организмов, что увеличивает сопротивление теплопередаче и снижает работоспособность ОТЭС. Биообрастание – одна из главных проблем при проектировании таких станций: увеличение площади поверхности теплообменников создает условия для дополнительного расселения организмов-обрастателей. Среди методов, позволяющих бороться с обрастанием, -  механическая очистка за счет непрерывного пропускания по трубкам теплообменников плотно притирающихся шариков и химическая очистка путем введения биоцидов в морскую воду.

Результатом всех этих усложнений является то, что для сохранения стоимости сооружения приходится использовать компоненты, размеры которых далеки от оптимальных (например, размеры теплообменников).

4.3. Требования к насосным агрегатам

Работа ОТЭС требует подачи огромных количеств поверхностных и глубинных вод, прокачки рабочего тела. Все это сопровождается совершением работы против сил сопротивления, и на все расходуется мощность ОТЭС, что приводит к дополнительному расходованию мощности исходного потока Р₀. Эффект охлаждения воды в гидростатической «цепи»